Молекулярная физика. Термодинамика

Механика

1.Механическое движение. Основная задача механики. Относительность механического движения. Система отсчета. Материальная точка.

Механическое движение тела - изменение его положения в пространстве относительно других тел.

Основная задача механики – определение положения тела в любой момент времени.

Относительность механического движения: Каждое тело в любой момент времени занимает определенное положение в пространстве относительно других тел. Если движение происходит относительно двух систем координат (неподвижной и подвижной), то скорость тела относительно неподвижной системы координат равна геометрической сумме скорости тела относительно подвижной системы координат и скорости подвижной системы координат относительно неподвижной.

Материальная точка - тело, размерами которого можно пренебречь.

Система отсчёта — это совокупность системы координат, тело отсчёта и прибора для измерения времени.

2.Траектория. Путь и перемещение. Векторные величины. Действия над векторами.

Траектория - линия, по которой движется тело.

Путь – длина траектории.

Перемещение – вектор, соединяющий начальное и конечное положение тела.

Векторные величины – величины, имеющие направление.

Действия над векторами

1. 2. 3.

3.Равномерное движение. Мгновенная скорость. Средняя скорость. Сложение скоростей.

Равномерное прямолинейное движение - движение, при котором тело (точка) за любые равные промежутки времени совершает одинаковое перемещение.

Мгновенная скорость – скорость в данный момент времени

Средняя скорость – отношение всего пройденного пути ко времени, затраченному на этот путь.

Сложение скоростей: v=v0+v’ где v-вектор скорости относительно неподвижной системы отсчета, v0-вектор скорости подвижной системы отсчета относительно неподвижной, v'-вектор скорости относительно подвижной системы отсчета.

 

4.Ускорение. Прямолинейное равноускоренное движение.

Ускорение – векторная физическая величина численно равная изменению скорости за единицу времени.

Прямолинейное равноускоренное движение – движение тела при котором его скорость за любые промежутки времени изменяется одинаково.

Формулы:

 

 

5.Движение тела под действием силы тяжести. Если на тело действует только сила тяжести, то тело совершает свободное падение. Вид траектории движения зависит от направления и модуля начальной скорости. При этом возможны следующие случаи движения тела: если начальная скорость тела равна нулю или параллельна силе тяжести, тело совершает прямолинейное свободное падение; если начальная скорость тела направлена под углом к силе тяжести, то тело будет двигаться по параболе либо по ветви параболы; тело может двигаться по круговой или эллиптической орбите вокруг планеты.

 

6.Криволинейное движение материальной точки и твердого тела. Скорость и ускорение при криволинейном движении. Угловая скорость. Период и частота обращения тела.

Криволинейное движение – движение тела, траектория которого представляет собой кривую линию.

Скорость и ускорение при криволинейном движении. Скорость тела при криволинейном движении в разные моменты времени различна. Даже в том случае, когда величина скорости не меняется, все же имеет место изменение направления скорости. В общем случае меняются и величина, и направление скорости. Таким образом, в криволинейном движении всегда имеется изменение скорости, т. е. это движение происходит с ускорением.

Тангенциальное ускорение в данной точке траектории по направлению совпадает с направлением скорости движения тела или противоположно ему.

Нормальное ускорение направлено по радиусу кривизны траектории (к оси вращения). Нормальное ускорение перпендикулярно направлению скорости.

Центростремительное ускорение – это нормальное ускорение при равномерном движении по окружности.

 

Полное ускорение:

Угловая скорость – физическая величина, равная отношению угла поворота к промежутку времени. (W) = рад/с

Период обращения – время одного полного оборота по окружности. (Т) = с

Частота обращения - число оборотов в единицу времени. (v) = ГцФормулы:

 

7.Взаимодействие тел. Сила. Первый, второй и третий законы Ньютона.

Взаимодействие тел. Если на тело не действуют другие тела, то оно либо находится в покое, либо движется прямолинейно и равномерно. Взаимодействие тел приводит

к ускорению тел. Для двух данных взаимодействующих тел отношение модулей их

ускорений всегда одно и то же.

Сила – это физическая величина, количественная мера действия тел, изменения их скорости и деформации. Онахарактеризуется модулем, направлением, точкой приложения.

1 закон Ньютона: Существуют такие системы отсчёта, относительно которых, поступально-движущееся тело сохраняет свою скорость постоянной, если на него не влияютр другие тела или влияние тел компенсируется.

2 закон Ньютона: Ускорение, сообщаемое телу, прямо пропорционально силе, действующей на тело и обратно пропорционально его массе.

3 закон Ньютона: Тела действуют друг на друга с силами, направленными вдоль одной прямой, равными по модулю и противоположными по направлению. F1=-F2.

 

8.Закон всемирного тяготения. Сила тяжести. Вес тела. Невесомость.

Закон всемирного тяготения: тела притягиваются друг к другу с силой, модуль которой пропорционален произведению их масс и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними.

Сила тяжести – сила притяжения тел к Земле.

Вес тела – сила, с которой тело действует на опору вследствие притяжения к Земле.

Невесомость — состояние, когда тело не давит на опору или подвес вследствие притяжения к Земле.

 

9. Силы в природе: силы трения.

Сила трения – сила, возникающая при непосредственном соприкосновении тел, направленная вдоль поверхностей соприкосновения противоположно скорости их относительного перемещения.

Сила трения покоя – сила трения, препятствующая возникновению движения одного тела по поверхности другого.

Сила трения скольжения – возникает при относительном перемещении тел. Причина возникновения – разрушение неровностей при относительном движении, преодоление сил межмолекулярного взаимодействия.

Сила трения качения – возникает при качении одного тела по поверхности другого.

 

10.Деформация и силы упругости. Закон Гука.

Деформация – изменение формы и/или объёма тела под действием внешних сил. Виды: растяжение (тросы, цепи), сжатие (колонны, стены), сдвиг (болты, закрепки), кручение (гайки, валы, оси), изгиб (мосты, балки).

Упругие деформации – деформации, которые полностью исчезают после прекращения действия сил.

Пластические деформации – деформации, которые не исчезают после действия сил.

Сила упругости – сила, возникающая при деформации тела и направленная в сторону противоположную перемещению частиц тела при деформации. Имеет электромагнитную природу.

Закон Гука: сила упругости, возникающая при деформации тела, пропорциональна удлинению и направлена противоположно направлению перемещения частиц тела относительно других частиц при деформации.

 

11.Сила Архимеда. Условие плавания тел.

Закон Архимеда: на тело, погружённое в жидкость (или газ), действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной этим телом жидкости (или газа)

Условие плавания тел

F_т>F_A - тело тонет;

F_т=F_A - тело плавает в жидкости или газе;

F_т<F_A - тело всплывает до тех пор, пока не начнет плавать.

 

12.Импульс тела. Закон сохранения импульса. Проявление закона сохранения импульса в природе и его использование в технике.

Импульс – физическая векторная величина, равная произведению массы тела на скорость.

Закон сохранения импульса: векторная сумма импульсов тел, составляющих замкнутую систему, остаётся неизменной при любых взаимодействиях тел этой системы.

Примером проявления закона сохранения импульса является реактивное движение. Оно наблюдается в природе (движение осьминога) и очень широко применяется в технике (водометный катер, огнестрельное оружие, движение ракет и маневрирование космических кораблей).

 

13.Механическая работа и мощность.

Механическая работа – скалярная физическая величина, равная произведению модулей силы и перемещения на косинус угла между ними. (А) = Дж.

Мощность – физическая величина, равная отношению работы к промежутку времени, в течение которого она была совершена. (N)= Вт = Дж/с.

N=A/t=FS/t=Fv

14. Механическая энергия. Потенциальная и кинетическая энергия. Закон сохранения полной механической энергии.

Механическая энергия — это энергия, связанная с движением объекта или его положением, способность совершать механическую работу.

Кинетическая энергия – энергия, которой обладает тело вследствие своего движения.

Теорема о кинетической энергии: работа равна изменению кинетической энергии.

А=DЕк

Потенциальная энергия тела – энергия, обусловленная взаимодействием различных тел или частей одного тела.

,

Работа силы тяжести: не зависит от траектории движения тела и всегда равна изменению потенциальной энергии тела, взятому с противоположным знаком.

А=-DЕр

Работа силы упругости – равна изменению потенциальной энергии, взятому с противоположным знаком.

ЗСЭ: Сумма кинетической и потенциальной энергии тел, составляющих замкнутую систему и взаимодействующих между собой посредством сил тяготения и сил упругости, остается неизменной.

Ek + Ep = const

 

15. Равновесие тел. Момент силы. Условия равновесия твердого тела.

Равновесие тел. Статикой называется раздел механики, изучающий условия равновесия тел. Для равновесия твердого тела необходимо, чтобы геометрическая сумма сил, действующих на тело, была равна 0. При равновесии твердого тела сумма моментов всех внешних сил, действующих на тело, равняется 0.

Момент силы – физическая величина, равная произведению силы на плечо силы. (М) = Н*м.

М=F*L

Плечо силы – перпендикуляр, проведённый от точки опоры к линии действия силы.

 

 

Молекулярная физика. Термодинамика.

1.Опытное обоснование основных положений молекулярно-кинетической теории (МКТ) строения вещества. Масса и размер молекул. Постоянная Авогадро.

Основные положения МКТ:

• Все вещества состоят из молекул (атомов)
• Молекулы (атомы) находятся в непрерывном хаотическом движении
• Молекулы (атомы) взаимодействуют друг с другом – притягиваются и отталкиваются

Основные положения МКТ подтверждаются многими опытными фактами. Существование молекул, атомов и ионов доказано экспериментально, молекулы достаточно изучены и даже сфотографированы с помощью электронных микроскопов. Способность газов неограниченно расширяться и занимать весь предоставленный им объем объясняется непрерывным хаотическим движением молекул. Упругость газов, твердых и жидких тел, способность жидкостей смачивать некоторые твердые тела, процессы окрашивания, склеивания, сохранения формы твердыми телами и многое другое говорят о существовании сил притяжения и отталкивания между молекулами. Явление диффузии — способность молекул одного вещества проникать в промежутки между молекулами другого — тоже подтверждает основные положения МКТ. Явлением диффузии объясняется, например, распространение запахов, смешивание разнородных жидкостей, процесс растворения твердых тел в жидкостях, сварка металлов путем их расплавления или путем давления. Подтверждением непрерывного хаотического движения молекул является также и броуновское движение — непрерывное хаотическое движение микроскопических частиц, нерастворимых в жидкости.

Масса одной молекулы:

Диаметром молекулы принято считать минимальное расстояние, на которое им позволяют сблизиться силы отталкивания. Однако понятие размера молекулы является условным. Средний размер молекул порядка 10^-10м.

Постоянная Авогадро – это количество молекул или атомов в 1 моле вещества. Эта постоянная получила своё название в честь итальянского химика и физика Амедео Авогадро (1776 – 1856). В 1 моле любого вещества содержится одинаковое количество частиц.

Nа = 6,02 * 10^23 моль^-1

 

2.Идеальный газ. Давление газа. Основное уравнение МКТ идеального газа.

Идеальный газ – простейшая физическая модель реального газа, согласно которой:

· Размеры молекул газа пренебрежительно малы по сравнению с расстоянием между ними

· Между молекулами отсутствуют силы взаимодействия

· Столкновения молекул газа между собой и стенками сосуда абсолютно упругие

· Движение молекул подчиняется законам Ньютона

· Газ одноатомный

Давление газа возникает в результате столкновения молекул газа со стенками сосуда, в котором находится газ.

Основное уравнение МКТ идеального газа:

3.Температура и её измерение. Тепловое равновесие. Температурные шкалы. Абсолютная температура – мера средней кинетической энергии молекул.

Температура – физическая величина, характеризующая степень нагретости тела.

Тепловое равновесие – состояние, при котором параметры системы не изменяются со временем - это означает, что в системе не меняются объем и давление, не происходит теплообмен, отсутствуют превращения газов, жидкостей и твердых тел.

Температурные шкалы:

Шкала Кельвина. В термодинамике используется шкала Кельвина, в которой температура отсчитывается от абсолютного нуля (состояние, соответствующее минимальной теоретически возможной внутренней энергии тела), а один градус по Цельсию равен 273 Кельвинам.

Шкала Цельсия. В быту используется шкала Цельсия, в которой за 0 принимают точку замерзания воды, а за 100° точку кипения воды при атмосферном давлении.

Шкала Фаренгейта. В Англии и, в особенности, в США используется шкала Фаренгейта. В этой шкале на 100 градусов раздёлен интервал от температуры самой холодной зимы в городе, где жил Фаренгейт, до температуры человеческого тела. Ноль градусов Цельсия — это 32 градуса Фаренгейта, а градус Фаренгейта равен 5/9 градуса Цельсия.

Шкала Реомюра. Предложена в 1730 году Р. А. Реомюром, который описал изобретённый им спиртовой термометр. Единица — градус Реомюра (°R), 1 °R равен 1/80 части температурного интервала между опорными точками — температурой таяния льда (0 °R) и кипения воды (80 °R) 1 °R = 1,25 °C.

Абсолютная температура – мера средней кинетической энергии поступательного движения молекулы не зависит от её природы и пропорциональна абсолютной температуре газа T. Отсюда следует, что абсолютная температура является мерой средней кинетической энергии молекул.

 

4.Связь средней скорости теплового движения молекул с температурой. Опыт Штерна.

Связь средней скорости теплового движения молекул с температурой.

Опыт Штерна. Опыт, впервые проведённый немецким физиком Отто Штерном в 1920 году. Опыт явился одним из первых практических доказательств состоятельности молекулярно-кинетической теории строения вещества. В нём были непосредственно измерены скорости теплового движения молекул и подтверждено наличие распределения молекул газов по скоростям. Для проведения опыта Штерном был подготовлен прибор, состоящий из двух цилиндров разного радиуса, ось которых совпадала и на ней располагалась платиновая проволока с нанесённым слоем серебра. В пространстве внутри цилиндров посредством непрерывной откачки воздуха поддерживалось достаточно низкое давление. При пропускании электрического тока через проволоку достигалась температура плавления серебра, из-за чего атомы начинали испаряться и летели к внутренней поверхности малого цилиндра равномерно и прямолинейно со скоростью v, соответствующей подаваемому на концы нити напряжению. Во внутреннем цилиндре была проделана узкая щель, через которую атомы могли беспрепятственно пролетать далее. Стенки цилиндров специально охлаждались, что способствовало оседанию попадающих на них атомов. В таком состоянии на внутренней поверхности большого цилиндра образовывалась достаточно чёткая узкая полоса серебряного налёта, расположенная прямо напротив щели малого цилиндра. Затем всю систему начинали вращать с некой достаточно большой угловой скоростью ω. При этом полоса налёта смещалась в сторону, противоположную направлению вращения, и теряла чёткость. Измерив смещение s наиболее тёмной части полосы от её положения, когда система покоилась, Штерн определил время полёта, через которое нашёл скорость движения молекул:

где s — смещение полосы, l — расстояние между цилиндрами, а u — скорость движения точек внешнего цилиндра. Найденная таким образом скорость движения атомов серебра совпала со скоростью, рассчитанной по законам молекулярно-кинетической теории, а тот факт, что получившаяся полоска была размытой, свидетельствовал в пользу того, что скорости атомов различны и распределены по некоторому закону — закону распределения Максвелла: атомы, двигавшиеся быстрее, смещались относительно полосы, полученной в состоянии покоя, на меньшие расстояния, чем те, которые двигались медленнее.

5.Идеальный газ. Уравнение состояния идеального газа. (Уравнение Менделеева-Клапейрона.)

Уравнение состояния идеального газа. (Уравнение Менделеева-Клапейрона):

6.Изопроцессы. Газовые законы.

Изопроцессы – процессы, протекающие при каком-либо постоянном параметре с данной массой газа.

Изотермический (з. Бойля-Мориотта, 1662) T=const

Изохорный (з. Шарля, 1787) V=const

Изобарный (з. Гей-Люссака, 1802) p=const

7.Испарение и конденсация. Насыщенные и ненасыщенные пары. Кипение. Влажность воздуха. Измерение влажности воздуха.

Испарение — процесс парообразования, происходящий при любой температуре со свободной поверхности жидкости.

Конденсация — процесс превращения пара в жидкость.

Насыщенный пар – пар находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью. Давление насыщенного пара зависит только от температуры.

Ненасыщенный пар – пар, находящийся при давлении ниже давления насыщенного пара.

Кипение — процесс парообразования, происходящий при температуре кипения во всём объёме жидкости.

Влажность воздуха — это величина, характеризующая содержание водяных паров в атмосфере Земли.

Измерение влажности воздуха: относительная влажность воздуха:

(р-плотность (давление) пара, р0-плотность (давление) насыщенного пара).

Для определения влажности воздуха используются приборы, которые называются гигрометрами (конденсационные и волосные) и психрометрами.

 

8.Свойства поверхности жидкости. Поверхностное натяжение. Смачивание и капиллярность.

Поверхностное натяжение - термодинамическая характеристика поверхности раздела двух находящихся в равновесии фаз, определяемая работой обратимого изотермокинетического образования единицы площади этой поверхности раздела при условии, что температура, объем системы и химические потенциалы всех компонентов в обеих фазах остаются постоянными. Сила поверхностного натяжения направлена по касательной к поверхности жидкости, перпендикулярно к участку контура, на который она действует. Сила поверхностного натяжения пропорциональна длине того участка контура, на который она действует. Коэффициент пропорциональности γ — сила, приходящаяся на единицу длины контура — называется коэффициентом поверхностного натяжения. Он измеряется в ньютонах на метр. Но более правильно дать определение поверхностному натяжению, как энергии (Дж) на разрыв единицы поверхности (м²). В этом случае появляется физический смысл и связь понятия поверхностного натяжения с внутренней энергией, что было доказано теоретически. Поверхностное натяжение может быть на границе газообразных, жидких и твёрдых тел. Обычно имеется в виду поверхностное натяжение жидких тел на границе «жидкость — газ». В случае жидкой поверхности раздела поверхностное натяжение правомерно также рассматривать как силу, действующую на единицу длины контура поверхности и стремящуюся сократить поверхность до минимума при заданных объёмах фаз. В общем случае прибор для измерения поверхностного натяжения называется тензиометр.

Смачивание – это поверхностное явление, заключающееся во взаимодействии жидкости с поверхностью твёрдого тела или другой жидкости. Смачивание бывает двух видов:

• Иммерсионное (вся поверхность твёрдого тела контактирует с жидкостью)
• Контактное (состоит из трёх фаз — твердая, жидкая, газообразная)

Смачивание зависит от соотношения между силами сцепления молекул жидкости с молекулами (или атомами) смачиваемого тела (адгезия) и силами взаимного сцепления молекул жидкости (когезия).Если жидкость контактирует с твёрдым телом, то существуют две возможности:

• молекулы жидкости притягиваются друг к другу сильнее, чем к молекулам твёрдого тела. В результате силы притяжения между молекулами жидкости собирают её в капельку. Так ведёт себя ртуть на стекле, вода на парафине или «жирной» поверхности. В этом случае говорят, что жидкость не смачивает поверхность;
• молекулы жидкости притягиваются друг к другу слабее, чем к молекулам твёрдого тела. В результате жидкость стремится прижаться к поверхности, расплывается по ней. Так ведёт себя ртуть на цинковой пластине, вода на чистом стекле или дереве. В этом случае говорят, что жидкость смачивает поверхность.

Степень смачивания характеризуется углом смачивания. Угол смачивания (или краевой угол смачивания) это угол, образованный касательными плоскостями к межфазным поверхностям, ограничивающим смачивающую жидкость, а вершина угла лежит на линии раздела трёх фаз. Измеряется методом лежащей капли. В случае порошков надёжных методов, дающих высокую степень воспроизводимости, пока (по состоянию на 2008 год) не разработано. Предложен весовой метод определения степени смачивания, но он пока не стандартизован.

Капиллярные явления – изменение высоты уровня жидкости в узких трубках (капиллярах).

 

9.Кристаллические и аморфные тела. Упругие и пластические деформации твердых тел.

Кристаллические тела — это такие тела, атомы и молекулы которых расположены в определенном порядке, и этот порядок сохраняется на достаточно большом расстоянии. Основными свойствами кристаллических тел являются: определенность температуры плавления, упругость, прочность, зависимость свойств от порядка расположения атомов, т. е. от типа кристаллической решетки.

Аморфные тела – тела, у которых отсутствует порядок расположения атомов и молекул по всему объему этого вещества. Их свойства одинаковы по всем направлениям.

Деформация – изменение формы и размеров тела под действием внешних сил.

Упругая деформация (тело вернётся) – деформация, которая полностью исчезает после прекращения действия сил.

Пластическая деформация (тело не вернется) – деформация, которая не исчезает после действия сил.

 

10.Работа в термодинамике. Внутренняя энергия и способы её изменения. Количество теплоты. Расчет количества теплоты при агрегатных превращениях.

Работа в термодинамике: работа термодинамической системы над внешними телами заключается в изменении состояния этих тел и определяется количеством энергии, передаваемой системой внешним телам при изменении внешних параметров системы..

Внутренняя энергия – энергия физической системы, зависящей от её внутреннего состояния, характера движения и взаимодействия частиц. Равна сумме кинетических энергий хаотического движения всех молекул относительно центра масс тела и потенциальных энергий взаимодействия молекул друг с другом.

Способы изменения внутренней энергии: теплопередача (теплопроводность, конвекция, излучение) и совершение работы.

Количество теплоты – энергия, переданная системе или полученная системой при теплообмене. (Q) =Дж.

Расчет количества теплоты при агрегатных превращениях:

· Q = m c (t2 - t 1) – нагревание ил охлаждение тела

· Q = m - плавление или отвердевание

· Q = m L – кипение или конденсация

· Q = m q – сгорание топлива

 

11.Первый закон термодинамики. Применение первого закона к изопроцессам. Адиабатный процесс.

Первый закон термодинамики: количество теплоты, переданное системе идет на изменение внутренней энергии этой системы и на совершение ею работы.

Q=A'+∆U

Применение первого закона к изопроцессам.

1. Изотермический: ∆Т=0 ∆U=0 Q=A'

2. Изохорный: ∆U=0 A'=0 Q=∆U

3. Изобарный: ∆р=0 Q=A'+∆U

4. Адиабатный: Q=0 A'=-∆U

Адиабатный процесс - процесс, в ходе которого система не получает и неотдает энергию в процессе теплообмена. Q=0, A'=-∆U

Адиабатное нагревание применяется в двигателях дизеля; адиабатное охлаждение применяется в машинах для сжижения газов.

 

12.Принципы действия тепловых машин. КПД теплового двигателя. Двигатель внутреннего сгорания. Проблемы энергетики и охрана окружающей среды.

Принцип действия тепловых машин заключается в следующем: нагреватель передает рабочему телу теплоту , вызывая повышение его температуры. Рабочее тело совершает работу над каким-либо механическим устройством, например, приводит во вращение турбину, и далее отдает холодильнику теплоту , возвращаясь в исходное состояние.

КПД теплового двигателя: ,

ДВС — двигатель тепловой машины, в которой химическая энергия топлива преобразуется в механическую работу.

1. Впуск — (такт впуска, поршень идет вниз) свежая порция топливо-воздушной смеси всасывается в цилиндр через открытый впускной клапан.

2. Сжатие (такт сжатия, поршень идет вверх) впускной и выпускной клапаны закрыты, и топливо-воздушная смесь сжимается в объёме.

3. Рабочий ход (такт рабочего хода, поршень идет вниз) сжатое топливо воспламеняется свечой зажигания, расположенной над поршнем, при сгорании высвобождается энергия, которая воздействует на поршень, заставляя его двигаться вниз. Фактически на такте рабочего хода происходит работа двигателя.

4. Выпуск (такт выпуска, поршень идет вверх) на этом такте открываются выпускные клапаны, и выхлопные газы, проходя через них, очищают цилиндр.

 

Проблемы энергетики и охрана окружающей среды.

Электроэнергия, выработанная на ГЭС, более дешёвая, чем электроэнергия, выработанная другими типами электростанций. Но сооружение ГЭС на равнинных реках приводит к затоплению больших территорий. Значительная часть площади образовавшихся водоёмов – мелководье, где активно развиваются водоросли, происходит так называемое «цветение» воды. Изменение уровня воды, приводящее к полному высушиванию почвы, ведёт к гибели на них растительности.

При сжигании топлива в атмосферу выбрасывается большое количество сернистого газа, который при соединении с парами воды превращается в серную кислоту. Также увеличивается содержание СО2 в атмосфере и приводит к парниковому эффекту.

Радиоактивность используемого топлива и продуктов его деления – серьёзный недостаток атомной энергетики. Недостатком АЭС является также тепловое загрязнение воды.