Основы специальной теории относительности (СТО) Основы классической динамики Момент инерции стержня Основы термодинамики Свойства электрических зарядов Поток вектора напряженности

Курс лекций по физике

Магнитное поле. Магнитная индукция. Закон Ампера. Магнитный поток Контур с током в магнитном поле. Закон Био - Савара - Лапласа и его применение к расчету магнитного поля. Вихревой характер магнитного поля. Закон полного тока. Работа по перемещению проводника и контура с током в магнитном поле. Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца. Принцип действия циклических ускорителей заряженных частиц. Эффект Холла.

Основы термодинамики

 При термодинамическом методе изучения процессов не рассматривается поведение и движение отдельных молекул, что свойственно физико-статистическим методам изучения свойств газов. В термодинамике основные понятия – это внутренняя энергия, количество теплоты, совершенная работа, энтропия и другие специфические термодинамические функции, а основными параметрами состояния газа служат температура, плотность.

ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

Внутренняя энергия системы

Изучая движение тела как целого, мы могли в механике ограничиться рассмотрением его кинетической энергии Т и потенциальной энергии Wп в поле внешних сил. В явлениях, изучаемых молекулярной физикой, определяющую роль играют взаимодействие и внутреннее движение частиц тела или системы тел. Так, например, нагревание тел состоит в увеличении энергии хаотического движения их частиц, малая сжимаемость жидкостей и особые свойства их поверхностного слоя обусловлены силами взаимного притяжения между молекулами и т. д.

Следовательно, изучая термодинамическую систему, необходимо учитывать не только механическую энергию системы как целого (кинетическую Т и потенциальную Wп), но и энергию U движения и взаимодействия микрочастиц этой системы (молекул, атомов, электронов и т. д.), называемую внутренней энергией системы. Полная энергия W системы равна:

W = T+Wп+U (12.1)

В зависимости от характера движения и взаимодействия частиц, образующих тела, внутреннюю энергию можно разбить на следующие составные части:

а) кинетическую энергию хаотического движения молекул (поступательного и вращательного);

б) потенциальную энергию, обусловленную силами межмолекулярного взаимодействия;

в) кинетическую и потенциальную энергии колебательного движения атомов в молекуле;

г) энергию электронных оболочек атомов и ионов, а также внутриядерную энергию.

Все составные части внутренней энергии, а следовательно, и она сама определяются состоянием системы. В дальнейшем нас не будут интересовать такие явления, при которых изменяется энергия электронных оболочек атомов или ионов и внутриядерная энергия. Поэтому под внутренней энергией системы мы будем понимать только энергию теплового движения частиц вещества и их взаимную потенциальную энергию. В двух тождественных состояниях энергия U системы одинакова и в случае идеального газа однозначно определяется величиной абсолютной температурой. Обычно полагают, что внутренняя энергия системы равна нулю при абсолютном нуле температуры, т. е. при Т = 0.

«Потенциальная» часть внутренней энергии отсутствует у идеальных газов, где нет сил межмолекулярного взаимодействия. Для идеального газа внутренняя энергия представляет собой только кинетическую энергию хаотического теплового движения молекул:

 (12.2)

где i – число степеней свободы молекул газа, CV – молярная теплоемкость газа при постоянном объёме.

При вычислении внутренней энергии реального газа необходимо учитывать потенциальную энергию взаимодействия молекул. Так что для одного киломоля реального газа следует записать

Uрг = Ек + Еп = CVT + Еп.

При описании состояния реального газа наличие сил межмолекулярного притяжения учитывалось введением поправки pi, имеющей смысл добавочного давления, сближающего молекулы. Работа соответствующих сил способствует приросту потенциальной энергии, равному

Как и обычно для потенциальной энергии, при для одного киломоля

 - (12.3) 

внутренняя энергия реального газа растет с увеличением температуры и объёма газа.

Теплота и работа

В механике мы познакомились с понятиями работы и энергии. Понятие работы связано с процессом передачи движения. О работе можно говорить только тогда, когда происходит изменение состояния системы.

Энергия, как мы видели, не связана непосредственно с процессом изменения состояния. Она равна той работе, которую могла бы совершать система при переходе из одного состояния в некоторое другое, энергия которого условно принята за нуль. Поэтому энергия системы является однозначной функцией ее состояния и не зависит от того, каким образом система в это состояние была переведена.

Работа, совершенная системой в том или ином процессе, является мерой изменения ее энергии в этом процессе. Совершение работы является формой передачи энергии.

Возможны две формы передачи энергии от одного тела к другому. Первая из них сводится к тому, что энергия упорядоченного движения одного тела переходит в энергию упорядоченного движения другого тела или его частей. Это может происходить при взаимодействии макроскопических тел, размеры которых во много раз больше размеров отдельных атомов или молекул. Такую форму передачи энергии в термодинамике так же, как и в механике, называют работой. Так, например, газ, расширяющийся в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, перемещает при этом поршень и передает ему энергию в форме работы.

Вторая форма передачи энергии осуществляется при непосредственном обмене энергией между хаотически движущимися частицами взаимодействующих тел. При этом за счет переданной телу энергии усиливается неупорядоченное движение его частиц, т. е. увеличивается внутренняя энергия тела. Такую форму передачи энергии в термодинамике называют теплотой, а способ передачи был рассмотрен ранее в явлениях переноса и назывался теплопроводностью. Так, например, при соприкосновении холодного тела с горячим быстро движущиеся молекулы второго тела сталкиваются с медленнее движущимися молекулами первого тела и передают им часть своей кинетической энергии. В результате внутренняя энергия первого тела увеличивается, внутренняя энергия второго - уменьшается, а их температуры выравниваются.

К сожалению, принятая в настоящее время терминология не вполне удачна. Действительно, термины «работа» и «теплота» имеют двоякий смысл. С одной стороны, работа и теплота - это две различные формы передачи энергии, а с другой - количества переданной энергии. Поэтому во втором случае правильнее было бы говорить не о «совершенной работе» или «сообщенном количестве теплоты», а об энергии, переданной, соответственно, в форме работы или в форме теплоты. Однако в дальнейшем, ради краткости, там, где это не вызывает путаницы, мы будем пользоваться общепринятой терминологией, вкладывая в нее вышеуказанный смысл.

Итак, теплота, подобно работе, является формой передачи энергии, а отнюдь не видом энергии. Поэтому ошибочным является употребление понятия о «запасе теплоты в теле». Этот термин остался в физике со времен «теплорода», когда теплоту понимали как особое вещество. Ошибка здесь состоит в смешении одной из форм передачи энергии (теплоты) с одним из в и д о в энергии (внутренней энергией). Мы увидим дальше, что телу необходимо сообщать разные количества теплоты для перевода его из одного состояния в другое в зависимости от того, через какие промежуточные состояния оно при этом проходит. Это значит, что теплота, в отличие от энергии, не является функцией состояния.

Работа и теплота обладают тем общим свойством, что они существуют лишь в процессе передачи энергии, а их численные значения существенным образом зависят от вида этого процесса.

Однако между теплотой и работой существует глубокое качественное различие. Теплота и работа являются неравноценными формами передачи энергии. В самом деле, работа представляет собой передачу энергии упорядоченного движения. Совершение работы над системой может непосредственно привести к увеличению любого вида энергии системы (кинетической, потенциальной, внутренней). Сообщение системе (или телу) теплоты, т. е. увеличение энергии хаотического теплового движения ее частиц, непосредственно ведет только к увеличению внутренней энергии. Для того, чтобы при подведении к системе теплоты произошло увеличение иных видов энергии, кроме внутренней, необходимо хотя бы частично преобразовать хаотическое движение частиц тел в упорядоченное или, как часто для краткости говорят, преобразовать теплоту в работу. Это делается, например, в тепловых машинах.

Теплота и работа тесно связаны друг с другом. Обе эти формы передачи энергии переходят одна в другую и в реальных условиях сопутствуют друг другу. Так, например, при нагревании металлического стержня не только увеличивается его внутренняя энергия, но происходит также расширение стержня, а следовательно, совершается работа расширения. Опыты показали, что теплота преобразуется в работу или работа в теплоту всегда в строго соответственных количествах, независимо от способа преобразования. Одна калория, в которых еще недавно было принято измерять количество теплоты, всегда эквивалентна 4,18 Дж работы. Эта величина называется механическим эквивалентом теплоты.

Трудно переоценить значение этого факта для науки и техники, в частности для установления закона сохранения и превращения энергии. Механический эквивалент теплоты впервые был определен в 1845 г. Д. Джоулем.

Необходимо помнить, что при пользовании Международной системой единиц (СИ) работа и теплота должны измеряться в одних и тех же единицах - джоулях, поэтому при написании формул нет надобности в применении механического эквивалента теплоты и теплового эквивалента работы.

Первый закон термодинамики Первый закон (или начало) термодинамики является выражением одного из основных законов природы - закона сохранения и превращения энергии, о котором мы уже говорили в разделе «Механика».

Вероятность термодинамического состояния. При анализе путей развития той или иной физической системы общепринято определять вероятности тех или иных состояний и максимально ожидаемой является ситуация с наибольшей вероятностью. Количественной характеристикой вероятности теплового состояния тела является число микроскопических способов, которым это макроскопическое состояние может быть реализовано.

Теплоемкость вещества. Изопроцессы идеального газа Большую роль в изучении тепловых свойств вещества играет понятие теплоемкости. Удельной теплоемкостью с называется физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое надо сообщить единице массы этого вещества для увеличения ее температуры на 1° К

Изотермический процесс происходит при постоянной температуре (Т = const). Из уравнения Менделеева — Клапейрона следует, что для этого процесса справедлив закон Бойля—Мариотта: pV = const. Для практического осуществления изотермического процесса необходимо обеспечить идеальный теплообмен - тепловой контакт между газом и массивным телом, имеющим постоянную температуру. Или процесс нужно вести бесконечно медленно, чтобы постоянно успевало происходить выравнивание температуры во всем объеме. Изотермический процесс сжатия и конденсации отработанного пара осуществляется в конденсаторе паровой машины.

Процессы обратимые и необратимые. Обратимым процессом называется такой процесс, который может быть проведен в обратном направлении таким образом, что система будет проходить через те же состояния, что и при прямом ходе, но в обратной последовательности. Обратимым может быть только равновесный процесс.

Явление электромагнитной индукции. Закон электромагнитной индукций. Закон Ленца. Явление самоиндукции. Индуктивность. Энергия системы проводников с током. Объемная плотность энергии магнитного поля. Магнитные моменты атомов. Намагниченность. Типы магнетиков Элементарная теория диа- и парамагнетизма. Магнитная восприимчивость вещества. Напряженность магнитного поля. Магнитная проницаемость среды. Ферромагнетики. Кривая намагничивания. Магнитный гистерезис. Точка Кюри.
создание методов решения задач по физике