Работа в термодинамике. Внутренняя энергия. Первый закон термодинамики. Применение первого закона к изопроцессам. Адиабатный процесс.

План ответа

1. Внутренняя энергия и ее измерение. 2. Ра­бота в термодинамике. 3. Первый закон термодина­мики. 4. Изопроцессы. 5. Адиабатный процесс.

Внутренняя энергия — это величина, характери­зующая собственное состояние тела, т. е. энергия хаотического (теплового) движения микрочастиц си­стемы (молекул, атомов, электронов, ядер и т. д.) и энергия взаимодействия этих частиц. Внутренняя энергия одноатомного идеального газа определяется по формуле U=3/2•т/М • RT.

Существуют два способа изменения внутрен­ней энергии: теплопередача и совершение механи­ческой работы (например, нагревание при трении или при сжатии, охлаждение при расширении).

Теплопередача — это изменение внутренней энергии без совершения работы: энергия передается от более нагретых тел к менее нагретым. Теплопере­дача бывает трех видов: теплопроводность (непо­средственный обмен энергией между хаотически движущимися частицами взаимодействующих тел или частей одного и того же тела); конвекция (перенос энергии потоками жидкости или газа) и излуче­ние (перенос энергии электромагнитными волнами). Мерой переданной энергии при теплопередаче яв­ляетсяколичество теплоты (Q).

Закон сохранения энергии для тепловых процессов, который называетсяпервым за­коном термодинамики, можно записать так: Q = Α' + U, т. е. количество теплоты, переданное систе­ме, идет на совершение системой работы и измене­ние ее внутренней энергии.

При изобарном нагревании газ совершает ра­боту над внешними силамиΑ' =p(V₁-V₂) = pΔV, где

V₁, и V₂ — начальный и ко­нечный объем газа.

Рассмотрим применение первого закона тер­модинамики к изопроцессам, происходящим с иде­альным газом. В изотермическом процессе температура по­стоянная, следовательно, внутренняя энергия не ме­няется. Тогда уравнение первого закона термодина­мики примет вид: Q =А', т. е. количество теплоты, переданное системе, идет на совершение работы при изотермическом расширении, именно поэтому темпе­ратура не изменяется.

В изобарном процессе газ расширяется и ко­личество теплоты, переданное газу, идет на увеличе­ние его внутренней энергии и на совершение им ра­боты: Q =U + А'.

При изохорном процессе газ не меняет своего объема, следовательно, работа им не совершается, т. е., А = О, и уравнение первого закона имеет вид:

Q =U, т. е. переданное количество теплоты идет на увеличение внутренней энергии газа.

Адиабатным называют процесс, протекающий без теплообмена с окружающей средой.Q = 0, следо­вательно, газ при расширении совершает работу за счет уменьшения его внутренней энергии, следова­тельно, газ охлаждается,Α' =U. Кривая, изобра­жающая адиабатный процесс, называетсяадиабатой.

Билет № 12

Взаимодействие заряженных тел. Закон Кулона. Закон сохранения электрического заряда.

План ответа

1. Электрический заряд. 2. Взаимодействие за­ряженных тел. 3. Закон сохранения электрического заряда. 4. Закон Кулона. 5. Диэлектрическая проницаемость. 6. Электрическая постоянная. 7. Направ­ление кулоновских сил.

Законы взаимодействия атомов и молекул удается понять и объяснить на основе знаний о строении атома, используя планетарную модель его строения. В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются по определенным орбитам отрицательно заряженные частицы. Взаимодействие между заряженными час­тицами называетсяэлектромагнитным. Интенсив­ность электромагнитного взаимодействия опреде­ляется физической величиной —электрическим за­рядом, который обозначается q. Единица измерения электрического заряда — кулон (Кл). 1 кулон — это такой электрический заряд, который, проходя через поперечное сечение проводника за 1 с, создает в нем ток силой 1 А. Способность электрических зарядов как к взаимному притяжению, так и к взаимному отталкиванию объясняется существованием двух ви­дов зарядов. Один вид заряда назвали положитель­ным, носителем элементарного положительного за­ряда является протон. Другой вид заряда назвали отрицательным, его носителем является электрон. Элементарный заряд равен е = 1,6 • 10^-19 Кл.

Заряд тела всегда представляется числом, кратным величине элементарного заряда:

q=e(N_p-N_e)

где N_p — количество электронов, N_e — количество

протонов.

Полный заряд замкнутой системы(в которую не входят заряды извне), т. е. алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной: q₁ + q₂ + ...+q_n=const. Электрический заряд не создается и не исчезает, а только переходит от одного тела к друго­му. Этот экспериментально установленный факт на­зываетсязаконом сохранения электрического заря­да. Никогда и нигде в природе не возникает и не ис­чезает электрический заряд одного знака. Появление и исчезновение электрических зарядов на телах в большинстве случаев объясняется переходами эле­ментарных заряженных частиц — электронов — от одних тел к другим.

Электризация — это сообщение телу электри­ческого заряда. Электризация может происходить, например, при соприкосновении (трении) разно­родных веществ и при облучении. При электризации в теле возникает избыток или недостаток электронов.

В случае избытка электронов тело приобретает отрицательный заряд, в случае недостатка — поло­жительный.

Законы взаимодействия неподвижных элек­трических зарядов изучает электростатика.

Основной закон электростатики был экспери­ментально установлен французским физиком Шар­лем Кулоном и читается так. Модуль силы взаимо­действия двух точечных неподвижных электриче­ских зарядов в вакууме прямо пропорционален про­изведению величин этих зарядов и обратно пропор­ционален квадрату расстояния между ними.

F =k •q₁q₂/r², гдеq₁ и q₂— модули зарядов, r — расстояние между ними,k — коэффициент пропор­циональности, зависящий от выбора системы еди­ниц, в СИ

k = 9 • 10⁹ Н • м²/Кл².

Величина, показывающая во сколько раз сила взаимодействия зарядов в вакууме больше, чем в среде, называетсядиэлектрической проницаемостью средыε. Для среды с диэлектрической проницае­мостью ε закон Кулона записывается следующим об­разом:

F= k •q₁q₂/(ε•r²)

Вместо коэффициента k часто используется коэффициент, называемый электрической постоян­ной ε₀. Электрическая постоянная связана с коэффи­циентомk следующим образомk = 1/4π ε₀ и численно равна ε₀ = 8,85 • 10^-12 Кл/Н • м².

С использованием электрической постоянной закон Кулона имеет вид:

F=(1/4π ε₀ )• (q₁q₂ /r²)

Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называютэлектростатическим, иликулоновским, взаимодействием. Кулоновская сила направлена вдоль прямой, соединяющей заряженные тела. Она является силой притяжения при разных знаках зарядов и силой от­талкивания при одинаковых знаках.

Билет № 13