Основные формулы и законы

Молекулярная физика. Термодинамика

Количество вещества тела (системы) – число структурных элементов (молекул, атомов, ионов и т.п.), содержащихся в телеили системе.

Количество вещества выражается в молях. Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде – 12 массой 0,012 кг.

Количество вещества тела (системы)

v = Основные формулы и законы - student2.ru ,

где N – число структурных элементов (молекул, атомов, ионов и т.п.), составляющих тело (систему); NA – по­стоянная Авогадро

(NА = 6,02×1023 моль-1).

Молярная масса вещества

М = Основные формулы и законы - student2.ru ,

где m – масса однородного тела (системы); v – коли­чество вещества этого тела.

Относительная молекулярная масса вещества

Основные формулы и законы - student2.ru ,

где ni – число атомов i-го химического элемента, входя­щих в состав молекулы данного вещества; Ar,i – относи­тельная атомная масса этого элемента. Относительные атомные массы приводятся в таблице Д.И. Менделеева. См. также в табл. А.10. прил. А. Связь молярной массы М с относительной молекуляр­ной массой вещества

М= Основные формулы и законы - student2.ru ,

где k = 10-3 кг/моль.

Количество вещества смеси газов

v = v1+v2+…+vn = N1/NA + N2/NA + ... +Nn/NA ,

или

Основные формулы и законы - student2.ru ,

где vi, Ni, mi, Mi – соответственно количество вещества, число молекул, масса, молярная масса i-го компонента смеси.

Уравнение Менделеева – Клапейрона (уравнение со­стояния идеального газа)

pV = Основные формулы и законы - student2.ru RT = vRT,

где m – масса газа, М – молярная масса газа, R – мо­лярная газовая постоянная, v – количество вещества, Т – термодинамическая температура.

Опытные газовые законы, являющиеся частными слу­чаями уравнения Менделеева – Клапейрона для изопроцессов:

а) закон Бойля – Мариотта (изотермический процесс: T = const, m = const)

pV =const,

или для двух состояний газа

p1V1 = p2V2;

б) закон Гей-Люссака (изобарный процесс: р = const, m= const)

Основные формулы и законы - student2.ru = const,

или для двух состояний газа

Основные формулы и законы - student2.ru ;

в) закон Шарля (изохорный процесс: V = const, m = const)

Основные формулы и законы - student2.ru = const,

или для двух состояний газа

Основные формулы и законы - student2.ru ;

г) объединенный газовый закон (m = const)

Основные формулы и законы - student2.ru = const, или Основные формулы и законы - student2.ru ,

где p1, V1, T1 – давление, объем и температура газа в начальном состоянии; p2, V2, T2 – те же величины в ко­нечном состоянии.

Закон Дальтона, определяющий давление смеси газов

p= p1+ p2 +…+ pn ,

где pi – парциальные давления компонентов смеси; п – число компонентов смеси.

Парциальным давлением называется давление газа, которое производил бы этот газ, если бы только он один находился в сосуде, занятом смесью.

Молярная масса смеси газов

Основные формулы и законы - student2.ru ,

где mi – масса i-го компонента смеси; Основные формулы и законы - student2.ru – количество вещества i-го компонента смеси; п – число ком­понентов смеси.

Массовая доля i-го компонента смеси газа (в долях единицы или процентах)

Основные формулы и законы - student2.ru Основные формулы и законы - student2.ru ,

где m – масса смеси.

Концентрация молекул

Основные формулы и законы - student2.ru ,

где N – число молекул, содержащихся в данной системе; ρ – плотность вещества; V – объем системы. Формула справедлива не только для газов, но и для любого агре­гатного состояния вещества.

Основное уравнение кинетической теории газов

Основные формулы и законы - student2.ru ,

где Основные формулы и законы - student2.ru – средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы.

Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы

Основные формулы и законы - student2.ru ,

где k – постоянная Больцмана.

Средняя полная кинетическая энергия молекулы

Основные формулы и законы - student2.ru ,

где i – число степеней свободы молекулы.

Зависимость давления газа от концентрации молекул и температуры

р = nkT.

Скорости молекул:

Основные формулы и законы - student2.ru – средняя квадратичная;

Основные формулы и законы - student2.ru – средняя арифметическая;

Основные формулы и законы - student2.ru – наиболее вероятная,

где m1 – масса одной молекулы.

Относительная скорость молекулы

и = Основные формулы и законы - student2.ru ,

где Основные формулы и законы - student2.ru – скорость данной молекулы.

Среднее число столкновений, испытываемых одной молекулой газа за 1 с

Основные формулы и законы - student2.ru ,

где d – эффективный диаметр молекулы; n – концентрация молекул; Основные формулы и законы - student2.ru – средняя арифметическая скорость молекул газа.

Средняя длина свободного пробега молекул газа

Основные формулы и законы - student2.ru ,

где Основные формулы и законы - student2.ru – средняя арифметическая скорость молекул газа;

Основные формулы и законы - student2.ru – среднее число столкновений, испытываемых одной молекулой газа за 1 с;

d – эффективный диаметр молекулы;

n – концентрация молекул.

Масса Основные формулы и законы - student2.ru m газа, перенесенная за время Основные формулы и законы - student2.ru t через поверхность площадью S в результате диффузии, определяется законом Фика

Основные формулы и законы - student2.ru Основные формулы и законы - student2.ru , или Основные формулы и законы - student2.ru ,

где D – коэффициент диффузии; Основные формулы и законы - student2.ru – градиент концентрации молекул; m1 – масса одной молекулы; Основные формулы и законы - student2.ru – градиент плотности газа.

Коэффициент диффузии

Основные формулы и законы - student2.ru ,

где Основные формулы и законы - student2.ru – средняя арифметическая скорость; Основные формулы и законы - student2.ru – средняя длина свободного пробега молекул газа.

Сила F внутреннего трения между движущимися слоями газа определяется законом Ньютона

Основные формулы и законы - student2.ru ,

где Основные формулы и законы - student2.ru – градиент скорости течения газа в направлении, перпендикулярном к поверхности площадью S; Основные формулы и законы - student2.ru – коэффициент внутреннего трения (динамическая вязкость).

Коэффициент внутреннего трения (динамическая вязкость)

Основные формулы и законы - student2.ru ,

где Основные формулы и законы - student2.ru – средняя арифметическая скорость; Основные формулы и законы - student2.ru – средняя длина свободного пробега молекул газа; Основные формулы и законы - student2.ru – плотность газа.

Количество тепла Q, перенесенное за время Основные формулы и законы - student2.ru через поверхность площадью S в результате теплопроводности определяется законом Фурье

Основные формулы и законы - student2.ru ,

где Основные формулы и законы - student2.ru – градиент температуры; К – коэффициент теплопроводности.

Коэффициент теплопроводности

Основные формулы и законы - student2.ru ,

где Основные формулы и законы - student2.ru – средняя арифметическая скорость; Основные формулы и законы - student2.ru – средняя длина свободного пробега молекул газа; Основные формулы и законы - student2.ru – плотность газа; сV – удельная теплоемкость газа при постоянном объеме.

Удельные теплоемкости газа при постоянном объеме (сV) и постоянном давлении (ср)

Основные формулы и законы - student2.ru , Основные формулы и законы - student2.ru .

Связь между удельной с и молярной С теплоемкостями

с = Основные формулы и законы - student2.ru , С = сМ.

Уравнение Майера

Cp – CV = R.

Внутренняя энергия идеального газа

Основные формулы и законы - student2.ru .

Первое начало термодинамики

Q = ΔU + A,

где Q – теплота, сообщенная системе (газу); ΔU – из­менение внутренней энергии системы; А – работа, совер­шенная системой против внешних сил.

Работа расширения газа: Основные формулы и законы - student2.ru в общем случае;

A = 0 при изохорном процессе, т.к. V = const;

A = p(V2 – V1) при изобарном процессе;

А = Основные формулы и законы - student2.ru при изотермическом процессе;

A = -ΔU = - Основные формулы и законы - student2.ru CVΔT, или A = Основные формулы и законы - student2.ru при адиабатном процессе, где γ= Основные формулы и законы - student2.ru – показатель адиабаты. Основные формулы и законы - student2.ru Основные формулы и законы - student2.ru

Уравнения Пуассона, связывающие параметры иде­ального газа при адиабатном процессе:

pVγ = const, Основные формулы и законы - student2.ru ,

Основные формулы и законы - student2.ru , Основные формулы и законы - student2.ru .

Термический коэффициент полезного действия (КПД) цикла

Основные формулы и законы - student2.ru ,

где Q1 – теплота, полученная рабочим телом от теплоотдатчика;

Q2 – теплота, переданная рабочим телом теплоприемнику.

Термический КПД цикла Карно

Основные формулы и законы - student2.ru ,

где Т1 и T2 – термодинамические температуры теплоотдатчика и теплоприемника.

Коэффициент поверхностного натяжения

Основные формулы и законы - student2.ru , или Основные формулы и законы - student2.ru ,

где F – сила поверхностного натяжения, действующая на контур l, ограничивающий поверхность жидкости; ΔE – изменение свободной энергии поверхностной плен­ки жидкости, связанное с изменением площади ΔS по­верхности этой пленки.

Формула Лапласа, выражающая давление р, созда­ваемое сферической поверхностью жидкости:

Основные формулы и законы - student2.ru ,

где R – радиус сферической поверхности.

Высота подъема жидкости в капиллярной трубке

Основные формулы и законы - student2.ru ,

где θ – краевой угол (θ=0 при полном смачивании сте­нок трубки жидкостью; θ=π при полном несмачивании); R – радиус канала трубки; ρ – плотность жидкости; g – ускорение свободного падения.

Высота подъема жидкости между двумя близкими и параллельными друг другу плоскостями

Основные формулы и законы - student2.ru ,

где d – расстояние между плоскостями.

Примеры решения задач

Пример 1.Определить для серной кислоты: 1) относи­тельную молекулярную массу Мr; 2) молярную массу М.

Решение. 1. Относительная молекулярная масса вещества равна сумме относительных атомных масс всех элементов, атомы которых входят в состав молекулы дан­ного вещества, и определяется по формуле

Основные формулы и законы - student2.ru , (2.1)

где пi – число атомов i-го элемента, входящих в моле­кулу;

Аr,I – относительная атомная масса i-го элемента.

Химическая формула серной кислоты имеет вид H2SO4. Так как в состав молекулы серной кислоты входят атомы трех элементов, то стоящая в правой части равенства (2.1) сумма будет состоять из трех слагаемых и эта формула примет вид

Mr = n1Ar,1+n2Ar,2+n3Ar,3. (2.2)

Из формулы серной кислоты далее следует, что п1 = 2(два атома водорода), n2 = 1 (один атом серы) и n3 = 4 (четыре атома кислорода).

Значения относительных атомных масс водорода, серы и кислорода найдем в табл. А.10 прил. А:

Ar,1 = 1, Ar,2 = 32, Ar,3 = 16.

Подставив значения ni и Аr,i в формулу (2.2), найдем относительную молекулярную массу серной кислоты:

Mr = 2×1+ 1×32+4×16 = 98.

2. Зная относительную молекулярную массу Мr , най­дем молярную массу серной кислоты по формуле

М = Mr k, (2.3)

где k=10-3 кг/моль.

Подставив в (2.3) значения величин, получим М= 98×10-3 кг/ моль.

Пример 2.Определить молярную массу М смеси кис­лорода массой m1 = 25 г и азота массой m2 = 75 г.

Решение. Молярная масса смеси М есть отноше­ние массы смеси т к количеству вещества смеси v:

M = m/v. (2.4)

Масса смеси равна сумме масс компонентов смеси:

т = т1 + m2.

Количество вещества смеси равно сумме количеств вещества компонентов:

v = v1 + v2 = Основные формулы и законы - student2.ru .

Подставив в формулу (2.4) выражения т и v, получим

Основные формулы и законы - student2.ru . (2.5)

Применив метод, использованный в примере 1, найдем молярные массы кислорода М1 и азота М2:

M1 = 32×10-3 кг/моль; M2 = 28×10-3 кг/моль.

Подставим значения величин в (2.5) и произведем вы­числения:

Основные формулы и законы - student2.ru =28,9×10-3 кг/моль.

Пример 3. Определить число N молекул, содержащих­ся в объеме V = 1 мм3 воды, и массу т1 молекулы воды. Считая условно, что молекулы воды имеют вид шариков, соприкасающихся друг с другом, найти диаметр d мо­лекул.

Решение. Число N молекул, содержащихся в не­которой системе

массой т, равно произведению постоян­ной Авогадро NA на количество вещества v:

N = vNA.

Так как v = Основные формулы и законы - student2.ru , где М – молярная масса, то N = Основные формулы и законы - student2.ru . Выразив в этой формуле массу как произведение плотности на объем V, получим

Основные формулы и законы - student2.ru .

Произведем вычисления, учитывая, что M=18×10-3 кг/моль (см. табл. А.10 прил. А):

Основные формулы и законы - student2.ru молекул.

Массу mi одной молекулы можно найти по формуле

m1 = Основные формулы и законы - student2.ru .. (2.6)

Подставив в (2.6) значения М и NA, найдем массу моле­кулы воды:

m1 = Основные формулы и законы - student2.ru = 2,99×10-26 кг.

Если молекулы воды плотно прилегают друг к другу, то можно считать, что на каждую молекулу приходится объем (кубическая ячейка) V1 = d3, где d – диаметр мо­лекулы. Отсюда

Основные формулы и законы - student2.ru . (2.7)

Объем V1 найдем, разделив молярный объем Vm на число молекул в моле, т. е. на NA:

V1 = Основные формулы и законы - student2.ru . (2.8)

Подставим выражение (2.8) в (2.7):

Основные формулы и законы - student2.ru ,

где Vm = Основные формулы и законы - student2.ru . Тогда Основные формулы и законы - student2.ru . (2.9)

Проверим, дает ли правая часть выражения (2.9) единицу длины:

Основные формулы и законы - student2.ru = 1 м.

Произведем вычисления:

Основные формулы и законы - student2.ru = 3,11×10-10 м = 311 пм.

Пример 4. В баллоне объемом 10 л находится гелий под давлением p1 = 1 МПа и при температуре Т1 = 300 К. После того как из баллона было взято m = 10 г гелия, температура в нем понизилась до T2 = 290 К. Опре­делить давление р2 гелия, оставшегося в баллоне.

Решение.Для решения задачи воспользуемся уравнением Менделеева–Клапейрона, применив его к конечному состоянию газа:

p2V = Основные формулы и законы - student2.ru RT2, (2.10)

где m3 – масса гелия в баллоне в конечном состоянии; М – молярная масса гелия; R – молярная газовая по­стоянная.

Из уравнения (2.10) выразим искомое давление

p2 = m2RT2/(MV). (2.11)

Массу т2 гелия выразим через массу т1, соответству­ющую начальному состоянию, и массу m гелия, взятого из баллона

m2 = m1 - m. (2.12)

Массу m1 гелия найдем также из уравнения Менде­леева – Клапейрона, применив его к начальному со­стоянию:

m1 = Mp1V/(RT1). (2.13)

Подставив выражение массы т1 в (2.12), а затем выра­жение т2 в (2.11), найдем

Основные формулы и законы - student2.ru , или Основные формулы и законы - student2.ru . (2.14)

Проверим, дает ли формула (2.14) единицу давления. Для этого в ее правую часть вместо символов величин подставим их единицы. В правой части формулы два слагаемых. Очевидно, что первое из них дает единицу давления, так как состоит из двух множителей, первый из которых (T2/T1) – безразмерный, а второй – давле­ние. Проверим второе слагаемое:

Основные формулы и законы - student2.ru .

Паскаль является единицей давления. Произведем вычисления по формуле (2.14), учитывая, что М= 4×10-3 кг/моль (см. табл. А.10 прил. А):

Основные формулы и законы - student2.ru = 3,64×105 Па = 0,364 МПа.

Пример 5.Баллон содержит m1 = 80 г кислорода и m2 = 320 г аргона. Давление смеси р= 1 МПа, температу­ра Т = 300 К. Принимая данные газы за идеальные, определить объем V баллона.

Решение. По закону Дальтона, давление смеси равно сумме парциальных давлений газов, входящих в состав смеси. По уравнению Менделеева – Клапейрона, парциальные давления р1 кислорода и р2 аргона выра­жаются формулами

p1 = m1RT/(M1V), p2 = m2RT/(M2V).

Следовательно, по закону Дальтона, давление смеси газов

p= p1+ p2, или Основные формулы и законы - student2.ru ,

откуда объем баллона

Основные формулы и законы - student2.ru .

Произведем вычисления, учитывая, что M1 = 32×10-3 кг/моль,

M2 = 40×10-3 кг/моль (см. табл. А.10 прил. А):

Основные формулы и законы - student2.ru = 0,0262 м3 = 26,2 л.

Пример 6. Найти среднюю кинетическую энергию Основные формулы и законы - student2.ru вращательного движения одной молекулы кислоро­да при температуре T = 350 К, а также кинетическую энергию Ек вращательного движения всех молекул кислорода массой m = 4 г.

Решение. На каждую степень свободы молекулы газа приходится одинаковая средняя энергия Основные формулы и законы - student2.ru , где k – постоянная Больцмана; Т – термодинамическая температура газа. Так как вращательному движению двухатомной молекулы (молекула кислоро­да – двухатомная) соответствуют две степени свободы, то средняя энергия вращательного движения молекулы кислорода

Основные формулы и законы - student2.ru .(2.15)

Кинетическая энергия вращательного движения всех молекул газа

Основные формулы и законы - student2.ru . (2.16)

Число всех молекул газа

N = NAv,(2.17)

где NA – постоянная Авогадро; v – количество веще­ства.

Если учесть, что количество вещества v = т/М, где т – масса газа; М – молярная масса газа, то формула (2.17) примет вид

Основные формулы и законы - student2.ru .

Подставив выражение N в формулу (2.16), получаем

Основные формулы и законы - student2.ru .(2.18)

Произведем вычисления, учитывая, что для кислорода

М = 32×10-3 кг/моль (см. табл. А.10 прил. А):

Основные формулы и законы - student2.ru = kT = 1,38×10-23 ×350 = 4,83×10-21 Дж;

Ек = Основные формулы и законы - student2.ru = 364 Дж.

Пример 7.При каком давлении р средняя длина свободного пробега álñ молекул азота равна 1 м, если температура газа t ° = 100 °С?

Решение.Давление газа определим как p = nkT, а концентрацию газа определим, используя формулу средней длины свободного пробега молекул Основные формулы и законы - student2.ru . Откуда Основные формулы и законы - student2.ru .

Произведем вычисления, для чего вычислим температуру азота Т=273+100=373 К, постоянная Больцмана k=1,38×10-23 Дж/К (см. табл. А.1 прил. А). Значение эффективного диаметра d молекулы азота определим, воспользовавшись табл. А.7. прил. А,d =3×10-10 м:

Основные формулы и законы - student2.ru 12, 9×10-3 Па = 12,9 мПа .

Пример 8. Средняя длина свободного пробега Основные формулы и законы - student2.ru атомов гелия при нормальных условиях равна 180 нм. Определить коэффициент диффузии D гелия.

Решение.Коэффициент диффузии D определяется формулой

Основные формулы и законы - student2.ru ,

где Основные формулы и законы - student2.ru – средняя арифметическая скорость молекул газа;

Основные формулы и законы - student2.ru – средняя длина свободного пробега молекул.

Средняя арифметическая скорость молекул определяется по формуле

Основные формулы и законы - student2.ru ,

где R – молярная газовая постоянная; М – молярная масса газа.

Для нормальных условий Т = 273 К, тогда получим

Основные формулы и законы - student2.ru.

Гелий – газ одноатомный, используя табл. А.10 прил. А, определим молярную массу гелия М = 4×10-3 кг/моль.

Произведем вычисления:

Основные формулы и законы - student2.ru = 7,23×10-5 м2/c.

Пример 9. Вычислить удельные теплоемкости при постоянном объеме сV и при постоянном давлении cp неона и водорода, принимая эти газы за идеальные.

Решение. Удельные теплоемкости идеальных газов выражаются формулами

Основные формулы и законы - student2.ru , Основные формулы и законы - student2.ru ,

где I – число степеней свободы молекулы газа; М – мо­лярная масса. Для неона (одноатомный газ) i = 3 и М = 20×10-3 кг/моль. Произведем вычисления:

Основные формулы и законы - student2.ru = 2,64×102 Дж/(кг×К);

Основные формулы и законы - student2.ru = 1,04×103 Дж/(кг×К).

Для водорода (двухатомный газ) i = 5 и М = 2×10-3 кг/моль. Тогда Основные формулы и законы - student2.ru = 1,04×104Дж/(кг×К);

Основные формулы и законы - student2.ru = 1,46×103Дж/(кг×К).

Пример 10. Вычислить удельные теплоемкости cV и cр смеси неона и водорода, если массовые доли неона и водорода составляют

w1 = 80 % и w2 = 20 %. Значения удельных теплоемкостей газов взять из предыдущего примера.

Решение. Удельную теплоемкость сV смеси при постоянном объеме найдем следующим образом. Теплоту, необходимую для нагревания смеси на ΔT, выразим двумя способами:

Q = сV(m1 + m2)ΔT; (2.19)

Q = (сV,1m1+ сV,2m2)ΔT, (2.20)

где cV,1 – удельная теплоемкость неона; cV,2 – удельная теплоемкость водорода.

Приравняв правые части (2.19) и (2.20) и разделив обе части полученного равенства на ΔT, получим cV(m1 + m2) = сV,1m1+ сV,2m2.

Отсюда

Основные формулы и законы - student2.ru ,

или

cV= cV,1w1+ cV,2w2 ,

где Основные формулы и законы - student2.ru и Основные формулы и законы - student2.ru .

Рассуждая так же, получим формулу для вычисления удельной теплоемкости смеси при постоянном давлении:

cp=cp,1w1+cp,2w2.

Произведем вычисления:

cV = (6,24×102×8 +1,04×104×0,2) = 2,58×103 Дж/(кг×К) =

= 2,58 кДж/(кг×К);

cp = (1,04×103× 0,8+1,46×104×0,2) = 3,75×103Дж/(кг×К)=

= 3,75 кДж/(кг×К).

Пример 11.Кислород массой m = 2 кг занимает объем V1 = 1м3 и находится под давлением р1 = 0,2 МПа. Газ был нагрет сначала при постоянном давлении до объема V2 = 3 м3, а затем при постоянном объеме до давления р3 = 0,5 МПа. Найти изменение ΔU внутренней энергии газа, совершенную им работу А и теплоту Q, передан­ную газу. Построить график процесса.

Решение. Построим график процесса в координатных осях p-V.

Основные формулы и законы - student2.ru Так как сначала газ изобарно расширялся, то этому про-цессу соответствует на гра-фике отрезок 1-2 (рис. 2.1). Затем газ был изохорно нагрет, что приводит к увели-чению давления; этому про-цессу соответствует на гра-фике отрезок 2-3 (рис. 2.1).

Определение требуемых физических величин можно осуществить двумя вариантами.

Первый вариант. Изменение внутренней энергии газа

Основные формулы и законы - student2.ru , (2.21)

где i – число степеней свободы молекул газа (для двух­атомных молекул кислорода i=5); ΔT = Т3 - Т1 – раз­ность температур газа в конечном (третьем) и начальном состояниях.

Начальную и конечную температуру газа найдем из уравнения Менделеева – Клапейрона pV = Основные формулы и законы - student2.ru RT, откуда

Основные формулы и законы - student2.ru .

Работа расширения газа при постоянном давлении выражается формулой

Основные формулы и законы - student2.ru .

Работа газа, нагреваемого при постоянном объеме, равна нулю:

А2 = 0.

Следовательно, полная работа, совершаемая газом:

А = А1 + А2 = А1.

Согласно первому началу термодинамики, теплота Q, переданная газу, равна сумме изменения внутренней энергии ΔU и работы А:

Q = ΔU + А.

Произведем вычисления, учитывая, что для кислорода М = 32×10-3 кг/моль:

Основные формулы и законы - student2.ru К;

Основные формулы и законы - student2.ru К;

Основные формулы и законы - student2.ru К;

Основные формулы и законы - student2.ru ;

A=A1=0,4 МДж;

Основные формулы и законы - student2.ru ;

Q = (3,24 + 0,4) МДж = 3,64 МДж.

Второй вариант. Воспользуемся графиком на рис. 2.1, тогда для участка 1-2 запишем первое начало термодинамики Q1 = Δ U1 + А1.

Для изобарного процесса: А1 = р1 (V2 - V1), Δ U1 = Основные формулы и законы - student2.ru .

Воспользуемся уравнением Менделеева-Клапейрона для состояний 1 и 2 (на графике точки 1 и 2 соответственно):

Основные формулы и законы - student2.ru ; (2.22)

Основные формулы и законы - student2.ru . (2.23)

Так как р1 = р2 , то вычтя из уравнения (2.23) уравнение (2.22), получим

Основные формулы и законы - student2.ru , тогда Δ U1 = Основные формулы и законы - student2.ru А1 , Q1 = А1( Основные формулы и законы - student2.ru + 1).

Для участка 2-3 : Q2 = Δ U2 + А2. Этот участок соответствует изохорному процессу, значит А2 = 0, Δ U2 = Основные формулы и законы - student2.ru .

Воспользуемся уравнением Менделеева-Клапейрона для состояния 3 (на графике точка 3):

Основные формулы и законы - student2.ru . (2.24)

Вычтем из уравнения (2.24) уравнение (2.23), получим

Основные формулы и законы - student2.ru . Из графика видно, что р1 = р2 , а V2 = V3 ,

откуда Основные формулы и законы - student2.ru , тогда Δ U2 = Основные формулы и законы - student2.ru V2(p3 – p1), Q2 = Δ U2.

Тогда А = А1 , Δ U = Δ U1 + Δ U2 , Q = Q1 + Q2.

Произведем вычисления:

А = 0,2×106(3 – 1)= 0,4×106 Дж = 0,4 МДж;

Δ U = Основные формулы и законы - student2.ru ×0,4×106 + Основные формулы и законы - student2.ru ×3×106(0,5 – 0,2) = 3,25×106 Дж = 3,25 МДж;

Q = 0,4×106 + 3,25×106 = 3,65×106 Дж = 3,65 МДж.

Пример 12.В цилиндре под поршнем находится водо­род массой т = 0,02 кг при температуре T1 = 300 К. Водород сначала расширился адиабатно, увеличив свой объем в n1 = 5 раз, а затем был сжат изотер­мически, причем объем газа умень­шился в n2 = 5 раз. Найти темпера­туру в конце адиабатного расшире­ния и работу, совершаемую газом при этих процессах. Изобразить процесс графически.

Решение. Температуры и объемы газа, совершающего адиабатный процесс, связаны между собой соотношением

Основные формулы и законы - student2.ru , или Основные формулы и законы - student2.ru ,

где γ – отношение теплоемкостей газа при постоянном давлении и постоянном объеме; n1 = Основные формулы и законы - student2.ru .

Отсюда получаем следующее выражение для конечной температуры:

Основные формулы и законы - student2.ru .

Работа А1 газа при адиабатном расширении может быть определена по формуле

Основные формулы и законы - student2.ru ,

где CV – молярная теплоемкость газа при постоянном объеме. Работа A2 газа при изотермическом процессе может быть выражена в виде

Основные формулы и законы - student2.ru , или Основные формулы и законы - student2.ru ,

где n2 = Основные формулы и законы - student2.ru .

Произведем вычисления, учитывая, что для водорода, как двухатомного газа: γ = 1,4; i = 5 и М = 2×10-3 кг/моль:

Основные формулы и законы - student2.ru Основные формулы и законы - student2.ru ;

Основные формулы и законы - student2.ru ;

Основные формулы и законы - student2.ru .

Рис. 2.2
Знак минус показывает, что при сжатии работа газа совершается над газом вне­шними силами. График процесса приве­ден на рис. 2.2.

Пример 13.Тепловая ма­шина работает по обратимо­му циклу Карно. Температу­ра теплоотдатчика Т = 500 К. Определить термический КПД η цикла и температуру Т2 теплоприемника тепловой машины, если за счет каждого кило­джоуля теплоты, полученной от теплоотдатчика, машина совершает работу А = 350 Дж.

Решение. Термический КПД тепловой машины показывает, какая доля теплоты, полученной от теплоотдатчика, превращается в

механическую работу. Терми­ческий КПД выражается формулой

Основные формулы и законы - student2.ru ,

где Q1 – теплота, полученная от теплоотдатчика; А – работа, совершенная рабочим телом тепловой машины. Зная КПД цикла, можно по формуле Основные формулы и законы - student2.ru определить температуру охладителя T2:

T2=T1(1 - η).

Произведем вычисления:

η = 350/1000 = 0,35; Т2 = 500(1- 0,35) К = 325 К.

Пример 14.Найти добавочное давление внутри мыль­ного пузыря диаметром d = 10 см. Какую работу нужно совершить, чтобы выдуть этот пузырь?

Решение. Пленка мыльного пузыря имеет две сферические поверхности: внешнюю и внутреннюю. Обе поверхности оказывают давление на воздух, заключенный внутри пузыря. Так как толщина пленки чрезвычайно мала, то диаметры обеих поверхностей практически одинаковы. Поэтому добавочное давление

Основные формулы и законы - student2.ru ,

где r – радиус пузыря. Так как r = d/2, то

Основные формулы и законы - student2.ru .

Работа, которую нужно совершить, чтобы, растягивая пленку, увеличить ее поверхность на ΔS, выражается формулой

A = αΔS, или A = α(S - S0).

В данном случае S – общая площадь двух сферических поверхностей пленки мыльного пузыря; S0 – общая площадь двух поверхностей плоской пленки, затягивав­шей отверстие трубки до выдувания пузыря. Пренебре­гая S0, получаем

A = αS = 2πd2α.

Произведем вычисления: Основные формулы и законы - student2.ru ;

A = 2×3,14×0,12×40×10-3 = 2,5×10-3 Дж = 2,5 МДж.

Библиографический список

1. Беликов, Б.С. Решение задач по физике. Общие методы: учеб. пособие для студентов вузов / Б.С. Беликов. – М.: Высш. шк., 1986.

2. Бурилова, С.Ю. Основы физических измерений: учеб. пособие / С.Ю. Бурилова, В.М. Машеренков. – Чита: ЧитГТУ, 2002.

3. Верхотуров, А.Р. Электродинамика. Физика колебаний и волн. Квантовая физика: учеб. пособие / А.Р. Верхотуров, В.А. Шамонин. – Чита: ЧитГУ, 2004.

4. Физика: метод. указания и контрольные задания / А.А. Воробьев [и др.]. – М.: Высш. шк., 1987.

5. Кузьмина, Т.В. Электромагнитное поле. Ч. 1: учеб. пособие / Т.В. Кузьмина, И.В. Свешников. – Чита: ЧитГУ, 2004.

6. Новодворская, Е.М. Методика проведения упражнений по физике во втузе: учеб. пособие для студ. втузов / Е.М. Новодворская, Э.М. Дмитриев. – М.: Высш. шк., 1981.

7. Савченко, Н.Д. Физические основы классической механики: учеб. пособие / Н.Д. Савченко. – Чита: ЧитГУ, 2004.

8. Савченко, Н.Д. Методика применения основных законов физики к решению задач по механике: метод. указания / Н.Д. Савченко, С.С. Филимонова. – Чита: ЧитПИ, 1994.

9. Свешников, И.В. Колебания и волны: курс лекций / И.В. Свешников, Г.А. Дзюба. – Чита: ЧитГТУ, 2001.

10. Трофимова, Т.И. Физика. 500 основных законов и формул: справочник для студ. вузов / Т.И. Трофимова. – М.: Высш. шк., 1995.

11. Чертов, А.Г. Задачник по физике / А.Г.Чертов, А.А. Воробьев. – М.: Высш. шк., 1981.

12. Яворский, Б.М. Справочник по физике / Б.М. Яворский, А.А. Детлаф. – М.: Наука, 1977.

Приложение А

Наши рекомендации