Реферат: Физика (лучшее)

Физический смысл температуры раскрывается в молекулярной физике. При тепловом движении молекулы газа непрерывно сталкиваются между собой. Это приводит к тому, что скорости молекул, а следовательно, и их кинетические энергии при любой температуре различим. Поэтому можно говорить о средней кинетической энергии поступательного движения мо­лекул. Из молекулярно-кинетической теории идеального газа известно, что средняя кинетическая энергия  поступательного движения молекул связана с абсолютной температурой Т соотношением

где k — постоянная Больцмана. Это соотношение свидетельствует о том, то средняя кинетическая энергия молекул смеси будет одинаковой, несмотря на различие масс молекул. Выражение), полученное для идеального газа, справедливо и для любых термодинамических систем. Из этого выражения вытекает важнейшее положение молекулярно-­кинетической теории: абсолютная температура является мерой сред­ней кинетической энергии поступательного движения молекул.

Из формулы видно также, что абсолютная температура является сугубо положительной величиной, поскольку средняя кинетическая энер­гия отрицательной быть не может. Нулевой уровень температуры по абсо­лютной шкале называют абсолютным нулём. Это предельно низкая тем­пература, которая в принципе не достижима.

В физике рассматриваются две температурные шкала — это шкала Кельвина (абсолютная шкала) и шкала Цельсия. Реперной (опорной) точ­кой на шкале Кельвина является тройная точка воды, т.е. такое состояние, при котором вода одновременно находится в трёх агрегатных состояниях -твёрдом, жидком и газообразном. Этому состоянию приписывается аб­солютная температура 273,16 К. Поэтому 1/273,16 часть этой температуры равна 1К. у шкалы Цельсия две реперные точки — температура таяния льда принимается за       0 °С, а кипения воды - за 100 °С при нормальном атмосферном давлении. Одна сотая часть этого интервала температур рав­на 1 °С. Данные температурные шкалы связаны соотношением ТК = t°C + 273,15, из которого следует, что один градус Цельсия равен одному Кельвину.

Билет № 8

1. Из основного уравнения молекулярно-кинетической теории идеально­го газа выводятся газовые законы, открытые опытным путем.

Согласно соотношению запишем   

где Р — давление газа, — кинетическая энергия поступательного дви­жения молекул, находящихся в единице объёма. Кинетическую энергию молекул можно выразить через среднюю кинетическую энергию  од­ной молекулы:  где n - число молекул в единице объёма. Но

Здесь k — постоянная Больцмана, Т — абсолютная темпе­ратура газа. Подставляя это выражение в находим

Учитывая, что n = N/V. где N— число молекул газа в объёме V. получаем

Это соотношение называется уравнением состояния идеального газа.

Уравнение состояния идеального газа неудобно тем, что в него входит число молекул N, которое нельзя непосредственно измерить. По­этому придадим ему такую форму, чтобы величины, входящие в него, можно было измерить. Обозначим через массу одной молекулы. Тогда, очевидно, , где m - масса газа. Умножим и разделим правую часть этого равенства на

так как  - масса одного моля или молярная масса. (Напомним, что число Авогадро показывает, сколько молекул находятся в одном моле вещества, а один моль - это количество вещества, выраженное в граммах, равное относительной молекулярной массе). Подставляя выражение

находим . Введём новую постоянную   Ее называют универсальной газовой постоянной. Тогда

Соотношение (25.5) называется уравнением Менделеева - Клапейрона.

Оно связывает между собой параметры состояния идеального газа и по­зволяет предсказывать состояние газа.

2. Переход термодинамической системы из одного состояния в другое называют термодинамическим процессом (или процессом). При этом изменяются параметры состояния системы. Однако возможны процессы, называемые изопроцессами, при которых один их параметров состояния остаётся неизменным. Существует три изопроцесса: изотермический, изо­барический (изобарный) и изохорический (изохорный). Изотермическим называют процесс, происходящий при неизменной температуре (Т= соnst); изобарическим процессом - при постоянном давлении (P = const), изо­хорическим - при неизменном объёме (V= const).

Из уравнения Менделеева - Клапейрона как частные случаи можно получить все газовые законы, открытые опытным путём. Выведем закон Бойля - Мариотта. Если масса и температура газа постоянны (m=const, T=const), то правая часть  равенства будет постоянной. Поэтому 

т.е.      для данной массы газа при неизменной температуре произведение давления газа на его объём -  величина постоянная. График: изотерма

Для изобарического процесса справедлив закон Гей-Люссака. Из уравнения Менделеева - Клапейрона  следует . Если масса и давление газа постоянны, то  и

Соотношение называется законом Гей-Люссака: для данной массы газа при постоянном давлении объём газа пропорционален его темпе­ратуре. На рис. 26.2 показан график зависимости объёма от температуры.

В случае изохорического процесса справедлив закон Шарля. Из уравнения Менделеева -  Клапейрона следует, что. Если масса и объём газа постоянны, то  и

Уравнение  называют законом Шарля: для данной массы газа при постоянном объёме давление газа пропорционально его температуре.

График:  изохора.

Билет № 9

1. Испарение и конденсация. Процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное состояние называется парообразованием, обратный процесс превращения вещества из газообразного состояния в жидкое называют конденсацией. Существуют два вида парообразования - испарение и кипение. Рассмотрим сначала испарение жидкости. Испарением называют процесс парообразования, происходящий с открытой поверхности жидкости при любой температуре. С точки зрения молекулярно-кинетической теории эти процессы объясняются следующим образом. Молекулы жидкости, участвуя в тепловом движении, непрерывно сталкиваются между собой. Это приводит к тому, что некоторые из них приобретают кинетическую энергию, достаточную для преодоления молекулярного притяжения. Такие молекулы, находясь у поверхности жидкости, вылетают из неё, образуя над жидкостью пар (газ). Молекулы пар~ двигаясь хаотически, ударяются о поверхность жидкости. При этом часть из них может перейти в жидкость. Эти два процесса вылета молекул жидкости и ах обратное возвращение в жидкость происходят одновременно. Если число вылетающих молекул больше числа возвращающихся, то происходит уменьшение массы жидкости, т.е. жидкость испаряется, если же наоборот, то количество жидкости увеличивается, т.е. наблюдается конденсация пара. Возможен случай, когда массы жидкости и пара, нахо­дящегося над ней, не меняются. Это возможно, когда число молекул, по­кидающих жидкость, равно числу молекул, возвращающихся в неё. Такое состояние называется динамическим равновесием, а пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным. Если же между паром и жидкостью нет динамического равновесия, то он называется ненасыщенным. Очевидно, что насыщенный пар при данной температуре имеет определённую плотность, называемую равновесной.

Это обусловливает неиз­менность равновесной плотности, а следова­тельно, и давления насы­щенного пара от его объ­ёма при неизменной тем­пературе, поскольку уменьшение или увели­чение объёма этого пара приводит к конденсации пара или к испарению жидкости соответственно. Изотерма насыщенного пара при некоторой температуре в координатной плоскости Р, V представляет собой прямую, параллельную оси V    С повышением температуры термодина­мической системы жидкость - насыщенный пар число молекул, поки­дающих жидкость за некоторое время, превышает количество молекул, возвращающихся из пара в жидкость. Это продолжается до тех пор, пока возрастание плотности пара не приводит к установлению динамического равновесия при более высокой температуре. При этом увеличивается и давление насыщенных паров. Таким образом, давление насыщенных паров зависит только от температуры. Столь быстрое возрастание давления насыщенного пара обусловлено тем, что с повышением температуры происходит рост не только кинетической энергии поступательного движения молекул, но и их концентрации, т.е. числа молекул в единице объема

При испарении жидкость покидают наиболее быстрые молекулы, вследствие чего средняя кинетическая энергия поступательного движения оставшихся молекул уменьшается, а следовательно, и температура жидко­сти понижается (см. §24). Поэтому, чтобы температура испаряющейся жидкости оставалась постоянной, к ней надо непрерывно подводить опре­делённое количество теплоты.

Количество теплоты, которое необходимо сообщить единице массы жидкости, для превращения её в пар при неизменной температуре называется удельной теплотой парообразования. Удельная теплота парообразования зависит от температуры жидкости, уменьшаясь с её повышением. При конденсации количество теплоты, затраченное на испарение жидкости, выделяется.

2. Влажность. В атмосфере всегда содержится некоторое количество водяных паров. Степень влажности является одной из существенных характеристик погоды и климата и имеет во многих случаях практическое значение. Так, хранение различных материалов (в том числе цемента, гипса и других строительных материалов), сырья, продуктов, оборудования и т.п. должно происходить при определенной влажности. К помещениям,  в зависимости от их назначения, также предъявляются соответствующие требования по влажности.

Для характеристики влажности используется ряд величин. Абсолют­ной влажностью р называется масса водяного пара, содержащегося в единице объёма воздуха. Обычно она измеряется в граммах на кубический метр (г/м3). Абсолютная влажность связана с парциальным давлением  Р водяного пара уравнением Менделеева – Клапейрона , где V - объём, занимаемый паром, m, Т и m — масса, абсолютная температура и молярная масса водяного пapa, R — универсальная газовая постоянная (см. (25.5)). Парциальным давлением называется давление, которое оказывает водяной пар без учёта действия молекул воздуха другого сорта. Отсюда , так как р = m/V— плотность водяного пара.

В определённом объёме воздуха при данных условиях количество во­дяного пара не может увеличиваться беспредельно, поскольку существует какое-то предельное количество паров, после чего начинается конденса­ция пара. Отсюда появляется понятие максимальной влажности. Макси­мальной влажностью Pm называют наибольшее количество водяного па­ра в граммах, которое может содержаться в 1 м3 воздуха при данной тем­пературе (по смыслу это есть частный случай абсолютной влажности). По­нижая температуру воздуха, можно достичь такой температуры, начиная с которой пар начнёт превращаться в воду — конденсироваться. Такая тем­пepaтypa носит название точки росы. Степень насыщенности воздуха во­дяными парами характеризуется относительной влажностью. Относительной влажностью b называют отношение абсолютной влажности р к максимальной Pm т.е. b=P/Pm. Часто относительную влажность выражают  в процентах.

Существуют различные методы определения влажности.

1.     Наиболее точным является весовой метод. Для определения влажно­сти воздуха его пропускают через ампулы, содержащие вещества, хорошо поглощающие влагу. Зная увеличение массы ампул и объём пропущенного воздуха, определяют абсолютную влажность.

2.     Гигрометрические методы. Установлено, что некоторые волокна, в том числе человеческий волос, изменяют свою длину в зависимости от от­носительной влажности воздуха. На этом свойстве основан прибор, назы­ваемый гигрометр ом. Имеются и другие типы гигрометров, в том числе и электрические.

З.    Психрометрический метод — это наиболее распространенный ме­тод измерения. Суть его состоит в следующем. Пусть два одинаковые тер­мометра находятся в одинаковых условиях и имеют одинаковые показания. Если же баллончик одного из термометров будет смочен, например, обернут мокрой тканью, то показания окажутся различными. Вследствие испарения воды с ткани так называемый влажный термометр показывает более низкую температуру, чем сухой. Чем меньше относительная влажность окружающего воздуха, тем интенсивнее будет испарение и тем ниже показание влажного термометра. Из показаний термометров определяют разность температур и по специальной таблице, называемой психрометрической, определяют относительную влажность воздуха.

Билет № 10

Твёрдые тела бывают аморфными и кристаллическими. Аморфными. называют тела, в которых атомы или молекулы расположены беспорядоч­но. Примерами этих тел являются янтарь, стекло, пластмассы и т.д. Аморфные тела являются изотропными, т.е. их физические свойства оди­наковы по всем направлениям. Твёрдые тела, атомы или молекулы кото­рых расположены в определённом порядке, называются кристаллами. Все кристаллические тела делятся на монокристаллы и поликристаллы. Монокристаллы представляют собой одиночные кристаллы, имеющие единую кристаллическую решетку. Монокристаллы встречаются в приро­де в естественных условиях (кварц, поваренная соль, рубин алмазы и т.д.). Создав специальные условия (удаление примесей, очень медленное охла­ждение расплавов и т.д.) их можно вырастить искусственно. Физиче­ские свойства (механические, теп­ловые, электрические, оптические) монокристаллов, как правило, раз­личны по различным направлениям. Как показатель преломления кри­сталла исландского шпата зависит от того, как на него падает луч све­та. Такое свойство кристаллических тел называется‚ анизотропностью. Поликристаллы представляют собой совокупность большого числа срос­шихся между собой и хаотически ориентированных маленьких монокристаллов, называемых кристалли­тами. Такое поликристаллическое тело в целом изотропно, хотя каждый кристаллит сам по себе анизотропен. Поликристаллы получаются, как пра­вило, путём кристаллизации жидкого вещества при охлаждении его в обычных условиях.

Для наглядного представления структуры кристаллов применяется способ изображения его с помощью кристаллической решётки. Кристал­лической решёткой называется пространственная сетка, узлы которой совпадают с центрами атомов или молекул в кристалле .

По характеру взаимодействия частиц (атомов, молекул, ионов), распо­ложенных в узлах кристаллической решётки, различают четыре типа кри­сталлов: атомные, ионные, металлические и молекулярные кристаллы.

1. Ионные кристаллы. В узлах кристаллической решётки этих кри­сталлов располагаются новы разных знаков, причём они чередуются меж­ду собой. Силы взаимодействия между ними электростатические (кулоновские). Связь, обусловленная кулоновскими силами притяжения, называется ионной или гетерополярной. В ионном кристалле нельзя вы­делить отдельные молекулы. Примерами ионных кристаллов являются га­лоидные соединения щелочных металлов (NaC1, KBr, KCI и другие), а также оксиды различных элементов (CaO, MgO и т.д.).

2.      Атомные кристаллы. В этих кристаллах в узлах кристаллической решётки находятся нейтральные атомы, которые удерживаются в них так называемыми ковалентными связями. Ковалентная связь возникает толь­ко между двумя атомами парами валентных электронов (по одному от ка­ждого атома), движущихся по орбитам, охватывающих оба атома. Поэто­му число связей, в которых может участвовать данный атом, а следова­тельно, и число соседних атомов, связанных с ним, равно его валентности. Атомными кристаллами являются алмаз, кремний, германий и т.д. В пере­численных кристаллах каждый атом, например кремний, окружен четырь­мя такими же атомами, поскольку его валентность равна четырём. Атомы образуют кристаллическую структуру, в которой один атом расположен в центре тетраэдра, а четыре - в его вершинах. При этом ковалентная связь образуется между центральным атомом и атомами в вершинах тетраэдра.

3. Металлические кристаллы. Во всех узлах кристаллической решёт­ки расположены положительные ноны. Это объясняется тем, что при обра­зовании кристаллической решётки валентные электроны, наиболее слабосвязанные с атомами, отрываются от атомов и коллективизируются, т.е. они уже принадлежат не одному атому, а всему кристаллу в целом. Поэто­му в металлах между положительными нонами хаотически движутся элек­троны, взаимодействие которых с положительными нонами металла и приводит к возникновению сил притяжения, компенсирующих силы от­талкивания ионов и образованию кристалла.

4.    Молекулярные кристаллы. В узлах кристаллической решётки рас­полагаются молекулы, ориентированные определённым образом. Силы, образующие кристалл, имеют электростатическое происхождение. Следу­ет отметить, что многие свойства тел, такие как трение, прилипание, сцеп­ление, поверхностное натяжение, вязкость и т.д. являются проявлением электростатических сил. К молекулярным кристаллам относятся лёд, йод, парафин, большинство твёрдых органических соединений и т.п., а также водород, аргон, метан и другие газы после превращения их в твёрдые тела.

2. При строительстве и конструировании различных сооружений, в том числе и строительных, необходимо знать механические свойства исполь­зуемых материалов: бетона, железобетона, стали, пластмасс и т.д. Поэтому рассмотрим лишь механические свойства твёрдых тел.

1.     Основные понятии. деформацией называется изменение формы и размеров тела под действием приложенных сил. Различают два вида де­формации — упругую и пластическую. Упругой называют деформацию, которая исчезает после прекращения действия приложенных сил. Если же после снятия сил тело не возвращается в исходное состояние, то такая деформация называется пластической (неупругой). Вид деформации за­висит от материала тела и от величины приложенного усилия. Механиче­ским усилием (усилием) р называют внешнюю силу, отнесённую к единице площади, т.е.

где F — сила, действующая на площадку S. При деформации в теле возни­кают cилы, противодействующие внешним силам. Их называют упругими. Упругая сила, отнесённая к единице площади, называется механическим напряжением (напряжением)

где Fупр сила, действующая на площадку S.

Деформацию тел оценивают абсолютной и относительной деформацией. Абсолютной деформацией       DХ называют разность конечного Х  и начального Х0  размера тела, т.е.

Абсолютная деформация при растяжении положитель­ная, а при сжатии — отрицательная. Относительной деформацией e называется отношение абсолютной де­формации к первоначальному размеру  тела, т.е.

Относительная деформация показывает, на какую часть изменились пер­воначальные размеры тела. Существуют различные виды деформации:

продольное растяжение (или сжатие), сдвиг, кручение, изгиб. Рассмотрим некоторые из них.

2.   Продольное растяжение (или сжатие). Простейшим видом дефор­мации твёрдого тела является продольное растяжение (сжатие). Оно воз­никает в тонком стержне, один конец которого закреплён, а к другому вдоль его оси приложена сила Г, равномерно распределённая по попереч­ному сечению стержня В результате этого длина стержня из­меняется от  до  Гук показал, что при упругой деформации удлинение(сокращение) стержня пропорционально приложенной силе

где k -  коэффициент пропорциональности. Это соотношение называют законом Гука. Однако удлинение (сжатие) тела зависит не только от приложенной силы, но и от его геометрической формы и размеров, а также от материала, из которого оно сделано. Опытным путём установлено, что чем длиннее стержень, тем он больше удлиняется (сокращается) при данной силе, и чем больше площадь его поперечного сечения, тем его удлинение (сокращение) меньше. Это утверждение можно записать математически следующим образом:

где l0 и S - длина и площадь поперечного сечения стержня, Dl - измене­ние длины стержня под действием силы F, Е — модуль Юнга. Но, усилие, действующее на стержень, равно F/S =  р, так как сила равномерно распределена по сечению, и Dl/I0 = e — относительное удли­нение (сжатие) стержня  Тогда соотношение запишется в виде

т.е.  в пределах упругости относительная деформация пропорциональ­на усилию, приложенному к телу.

Усилие, приложенное к телу, одинаково в любом поперечном сечении стержня. Оно вызывает появление внутри стержня напряжении, которые также будут одинаковы по всей его длине и равны усилию по модулю, но  противоположны по направлению, т.е. . С учётом этого выражение запишется:

Таким образом, напряжение упруго-деформированного тела пропорцио­нально его относительной деформации.

Модуль Юнга является важной характеристикой материала, из которо­го изготовлено тело, независимо от его формы и размеров. Он измеряется в паскалях (Па). Выясним физический смысл модуля Юнга. Из (42.7) сле­дует, что если е = 1 (когда Al = ‘о), то Е = р, т.е. модуль Юнга равен усилию, которое надо приложить к телу, чтобы изменить его длину вдвое при сохранении упругой деформации. В действительности же подавляюще число материалов разрушается значительно раньше, чем это произойдёт. Следовательно, величина Е вычисляется, а не измеряется непосредствен­но. Наиболее удобным способом исследования механических свойств твёрдого тела является его испытание на растяжение и построение диаграмм растяжения, т.е. зависимости между относительным удлинением e и усилием p.

Билет № 26

1. Радиоактивность. Процесс самопроизвольного распада атомных ядер называют радио­активностью. Радиоактивный распад ядер сопровождается  превращени­ем одних нестабильных ядер в другие и испусканием различных частиц. Было установлено, что эти превращения ядер не зависят от внешних усло­вий: освещения, давления, температуры и т.д. Существует два вида радио­активности: естественная и искусственная. Естественная радиоактивность наблюдается у химических элементов находящихся в природе. Как прави­ло, она имеет место у тяжёлых ядер, располагающихся в конце таблицы Менделеева, за свинцом. Однако имеются и лёгкие естественно-радиоактивные ядра: изотоп калия , изотоп углерода  и другие. Искусственная радиоактивность наблюдается у ядер, полученных в лабо­ратории с помощью ядерных реакций. Однако принципиального различия между ними нет.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6