Небесная сфера и ее элементы. Небесные координаты. Строение Солнечной системы.

Государственное областное бюджетное профессиональное образовательное учреждение

Лебедянский торгово-экономический техникум

Базовый конспект лекций

По дисциплине «физика»

Подготовила:

Маркова С.В.

Лебедянь

Современная физика имеет фундаментальное значение для теории познания, формирования научного мировоззрения, понимания строения и свойств окружающего нас мира. Физика оказывает большое влияние на развитие других наук и различных областей техники, поэтому ее изучение создает базу для профессиональной подготовки студентов средних профессиональных учебных заведений. Для вопросов экономического и социального развития необходимы современные знания. В данном пособии разъясняется смысл физических законов, понятий и явлений, раскрывающих физическую картину мира во всем многообразии. Пособие будет полезно студентам, как при изучении курса физики, так и при подготовке к экзаменам.

Содержание

I семестр

Введение

1. Физика – наука о природе. Понятие о физической картине мира. Физика и другие области науки и техники. Физические величины и измерения. Международная система единиц СИ.

2. Небесная сфера и ее элементы. Небесные координаты. Строение Солнечной системы.

I . Механика

3. Механическое движение. Относительность движения. Виды движения.

4. Законы Ньютона. Закон всемирного тяготения. Силы в природе.

5. Импульс. Закон сохранения импульса. Работа. Мощность. Энергия.

II. Молекулярная физика

6. Основные положения молекулярно-кинетической теории. Силы взаимодействия молекул. Скорости движения молекул и их измерение.

7. Масса и размер молекул. Постоянная Авогадро. Идеальный газ. Вакуум. Межзвездный газ. Давление газа. Основное уравнение МКТ идеального газа.

8. Абсолютный нуль. Термодинамическая шкала температур. Температура – как мера средней кинетической энергии. Уравнение Клапейрона-Менделеева. Объединенный газовый закон.

9. Изопроцессы. Их графики в координатах рV, VT, рT.

10. Изменение внутренней энергии газа в процессе теплообмена. Первое начало термодинамики.

11. Необратимость тепловых процессов. Понятие о втором начале термодинамики. Принцип действия тепловой машины.

12. Работа газа при изобарном изменении его объема. Применение первого начала термодинамики к изопроцессам.

13. Понятие фазы вещества. Насыщенный пар и его свойства. Влажность воздуха. Точка росы. Приборы для определения влажности воздуха.

14. Кипение. Зависимость температуры кипения от давления. Критические состояния вещества.

15. Поверхностное натяжение. Смачивание. Капиллярные явления.

16. Кристаллическое состояние вещества. Типы связей в кристаллах, виды кристаллических структур. Деформация. Плавление и кристаллизация.

17. Изменение объема и плотности вещества при изменении температуры.

III. Основы электродинамики

18. Явление электризации тел. Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона.

19. Электрическое поле и его напряженность. Работа по перемещению электрического заряда, совершенная силами электрического поля. Потенциал и разность потенциалов. Связь между напряженностью и разностью потенциалов. Электроемкость проводника. Конденсатор. Энергия конденсатора.

20. Проводники и диэлектрики в электрическом поле. Соединение конденсаторов в батареи.

21. Физические основы проводимости металлов. Постоянный ток. Его характеристики. Закон Ома для участка цепи. Электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи.

22. Сопротивление как электрическая характеристика резистора. Зависимость сопротивления от температуры. Работа и мощность постоянного тока.

23. Соединение резисторов. Законы соединений.

II семестр.

1. Электрический ток в жидкостях.

2. Электрический ток в газах и вакууме.

3. Электрический ток в полупроводниках и электропроводность полупроводников. Ее зависимость от температуры и освещенности. Собственная и примесная проводимость полупроводников. Принцип работы полупроводниковых диода и триода.

4. Магнитное поле. Свойства магнитного поля. Магнитная индукция. Взаимодействие токов.

5. Действие магнитного поля на проводник с током. Закон Ампера. Магнитный поток.

6. Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца.

7. Явление электромагнитной индукции. Правило Ленца.

8. Самоиндукция. ЭДС самоиндукции. Индуктивность. Энергия магнитного поля.

IV . Колебания и волны.

9. Колебательное движение. Гармонические колебания и их характеристики. Превращение энергии при колебательном движении. Свободные, затухающие и вынужденные колебания. Механический резонанс.

10. Распространение колебаний в упругой среде. Волны, их характеристики. Звуковые колебания.

11. Электрические колебания. Действующие значения тока и напряжения. Закон Ома в цепи переменного тока. Мощность переменного тока. Трансформатор, устройство и работа. Производство, передача и использование энергии.

12. Превращение энергии в колебательном контуре. Частота собственных колебаний в контуре. Электрический резонанс. Автоколебания.

13. Электромагнитное поле и его распространение в виде электромагнитных волн. Открытый колебательный контур как источник электромагнитных волн.

14. Электромагнитная природа света. Скорость света. Зависимость между длиной световой волны и частотой электромагнитных колебаний. Световой поток и освещенность. Законы освещенности.

15. Законы отражения и преломления света. Полное отражение.

16. Дисперсия света. Интерференция света. Дифракция света. Поляризация света.

17. Виды спектров. Спектральный анализ. Шкала электромагнитных излучений. Инфракрасное, ультрафиолетовое и рентгеновское излучения, их свойства и применение.

V . Квантовая физика.

18. Квантовая природа света и квантовая гипотеза Планка. Давление света. Тепловое действие света. Химическое действие света.

19. Внешний фотоэффект и его законы. Внутренний фотоэффект.

20. Модель атома Резерфорда и Бора. Постулаты Бора. Квантовые генераторы.

21. Экспериментальные методы регистрации заряженных частиц. Естественная радиоактивность. Законы радиоактивного распада.

22. Состав атомных ядер. Ядерные силы. Энергия связи атомных ядер и дефект массы.

23. Деление тяжелых ядер. Цепная ядерная реакция. Термоядерная реакция.

24. Строение и развитие Вселенной.

Введение

Тема 1.

Физика – наука о природе. Понятие о физической картине мира. Физика и другие области науки и техники. Физические величины и измерения. Международная система единиц СИ.

1) Физика – наука о природе.

С незапамятных времен люди наблюдали последовательность происходящих явлений, научились предвидеть ход новых событий в природе, например, смену времен года, время разливов рек и т.д. Эти знания они использовали для определения времени посева и уборки урожая и т.д. Постепенно люди убедились в том, что изучение явлений природы приносит большую пользу. Тогда появились люди – ученые, которые изучали явления природы, записывали результаты наблюдений и опытов, сообщали свои знания ученикам.

Слово «природа» в переводе на греческий звучит «фюзис», поэтому науку о природе назвали «физикой». Начиная с 17 в. физика быстро развивается, из нее выделяются новые науки о природе, например, химия. Все они называются естественными науками.

Многолетнее изучение явлений природы привело ученых к идее о материальности окружающего нас мира. Материя есть объективная реальность, существующая помимо нашего сознания и данная нам в ощущениях.

Таким образом, все реально существующее в природе, материально.

Материя существует в двух видах: а/ вещество, б/ поле.

Изучение окружающего мира показало, что материя находится в постоянном движении, она может видоизменяться, но никогда не возникает из ничего и не исчезает.

Движение материи имеет несколько форм: физическая, химическая, биологическая и др.

К физической относятся: механическая, тепловая, электромагнитная, квантовая формы движения материи.

2. Физическая картина мира.

Физика знакомит нас с наиболее общими законами природы, управляющими течением процессов в окружающем нас мире и во Вселенной в целом.

В 18 в. Ньютоном была создана механическая картина мира. Согласно ей мир состоит из «твердых, весомых, непроницаемых, подвижных частиц». Они отличаются друг от друга массами. Многообразие мира – это результат различий в движении частиц. В основе ее лежат открытые Ньютоном законы динамики, всемирного тяготения. Однако при исследовании электромагнитных процессов выяснилось, что они не подчиняются механике Ньютона.

В 19 в. Максвелл создал электромагнитную картину мира. Она состоит в том, что движущееся тело создает электромагнитное поле, которое распространяется в пространстве и действует на др. тело

В 20 в. появляется единая картина мира в связи с развитием квантовой механики, согласно которой движущаяся материя является одновременно и веществом и полем.

3. Физика и др. области науки и техники.

Физика является одной из лидирующих наук. Она оказывает огромное влияние на различные области науки и техники.

Физика помогла развитию астрономии: появились радиоастрономия, человек вышел в открытый космос и т.д.

Физика помогла развитию биологии, т.к. основные средства, используемые биологией: микроскопы, рентгеноструктурный анализ, электронография и т.д., заимствованы у физики. Физика вносит решающий вклад в создание современной вычислительной техники, представляющей собой основу информатики.

Физика внесла огромный вклад в развитие энергетики. Физика стоит так4же у истоков преобразований во всех областях техники. Во 2-й половине 18 и 1-ой половине 19 века появляются и совершенствуются паровые машины. Из физики выделяется новая наука – термодинамика. Широкое использование тепловых машин на производстве и транспорте дало повод назвать это время «веком пара».

В конце 19 в. начале 20 в. – появляются и усовершенствуются электрические машины. Из физики выделяются электротехника, радиотехника…

Широкое использование электрической энергии в технике дало повод назвать это время «веком электричества».

Во 2-ой половине 20 в. изучают свойства атомов и атомных ядер, получают и используют ядерную энергию. Это время назвали «атомным веком».

В конце 20 в. происходит быстрое освоение человеком космоса. Это время назвали «космической эрой».

4. Физические величины и измерения.

Все, что может изменяться количественно называется величиной. Величины, характеризующие физические явления или определенные свойства материи называются физическими (напр. длина, объем, сила и т.п.). Эти величины, если они однородны, можно сравнивать. Сравнение значения какой-либо величины называется измерением.

Измерения могут быть прямыми и косвенными. Прямые измерения производятся непосредственно измерительными приборами. Косвенные измерения производятся вычислениями по формулам. (Напр. длина окружности ℓ=2ּπּr). Все измерения, производимые измерительными приборами неточные. Для оценки точности измерения вводят погрешность измерения.

Абсолютная погрешность – это разность между точным и приближенным значением, взятая по модулю:

Δ а = ‌ а₀ – а ‌ , где а₀– точное значение

а – приближенное значение

Относительная погрешность – это отношение абсолютной погрешности к точному значению, выраженная в процентах.

δ = _100%

5. Международная система единиц СИ.

Одна и та же величина в физике может измеряться в различных единицах (длина: мм, см, м, км). Произвольный выбор этих единиц осложняет расчеты по формулам. Поэтому для удобства по международному соглашению ввели единую систему единиц: СИ. Эти единицы измерения являются основными. Те единицы, которые выводятся из формул называются производными. Например:

Все единицы могут быть кратными и дольными.

Тема 2.

Небесная сфера и ее элементы. Небесные координаты. Строение Солнечной системы.

1. Небесная сфера и ее элементы.

Астрономия изучает строение, развитие, происхождение небесных тел и их систем.

Все небесные тела находятся на небе, как бы на внутренней поверхности некоторой сферы, которая движется вокруг оси. Чтобы легче ориентироваться на небе, оно разделено на участки – созвездия – характерные группы звезд.

Основные линии и точки небесной сферы:

Z – зенит

Z΄ - надир

C – север

Ю - юг

Р – северный полюс

Р₁- южный полюс

РР₁ – ось мира – ось, вокруг которой происходит суточное вращение неба.

Плоскость, перпендикулярная оси мира называется небесным экватором.

Плоскость, проходящая через север и юг называется горизонтом.

Большой круг небесной сферы, проходящий через зенит, полюс мира называется небесным меридианом.

Небесный меридиан пересекается с горизонтом в точках севера и юга.

Все светила описывают круги параллельные небесному экватору, и при каждом обороте дважды проходят через небесный меридиан. Прохождение светила на минимальном угловом расстоянии от зенита называется верхней кульминацией, а на максимальном – нижней.

Если обе кульминации звезды проходят над горизонтом – она называется незаходящей. Если видна одна кульминация, то звезда является заходящей. Если обе кульминации проходят под горизонтом, то звезда является невосходящей.

2. Небесные координаты:

У любого светила определяют 2 небесные координаты: прямое восхождение (α) (часах, мин.); склонение (δ) (градусах).

Определите небесные координаты:

α Льва: α=10^h 10^m α Гончих Псов: α=12^h50^m

δ=14⁰ δ=40⁰

α Ориона: α=5^R50^m α Цефея: α=21^h

δ=9⁰ δ=64⁰

α Весов: α=14^h40^m α Лебедя: α=20^h40^m

δ=-15⁰ δ=45⁰

3. Строение Солнечной системы:

Солнце, девять планет с их спутниками, астероиды, кометы и частички пыли, которые обращаются вокруг Солнца составляют Солнечную систему.

В центре Солнечной системы находится Солнце. Это огромный, раскаленный газовый шар диаметром 1,4 млн.км, температура на поверхности 6000 К, в недрах Солнца 13 млн⁰.

Солнце самая близкая к Земле звезда (150 000 000 км).

Ломоносов о Солнце: Горящий вечно океан.

Там огненны валы стремятся

И не находят берегов,

Там вихри пламенны крутятся,

Борющих множество веков;

Там камни, как вода, кипят,

Горящи там дожди шумят.

Годовой путь Солнца по большому кругу небесной сферы называется эклиптикой.

Эклиптика пересекает небесный экватор в 2-х точках: весеннего (21 марта) и осеннего (23 сентября) равноденствия. Солнце проходит через 12 созвездий (Овен, Телец, Близнецы, Рак, Лев, Дева, Весы, Скорпион, Стрелец, Козерог, Водолей, Рыбы).

Вокруг Солнца, с запада на восток, движутся планеты (от греч.слова «планетес» - блуждающие) с их спутниками. Планеты – это шарообразные тела, они много меньше и гораздо холоднее Солнца. Планеты не излучают свет, светят отраженным светом. Известно 9 планет (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон).

Орбиты планет лежат в плоскостях близких к плоскости эклиптики. Многие планеты имеют свои спутники. Луна – спутник Земли, у Юпитера 12 спутников, Сатурна – 9, Урана – 5, Нептуна – 2. Самая маленькая планета – Меркурий, самая большая – Юпитер.

Между планетами вокруг Солнца движется множество малых планет-астероидов. Известно примерно 2000 астероидов.

Вокруг Солнца обращаются еще кометы (в переводе с греческого «кометес» означает косматое светило) – большие образования из разреженного газа с очень малым твердым ядром.

Астрономические расстояния:

1 а.е. ≈ 150 000 000 км

1 пк = 3,08 ∙ 10¹³ км

1 св.год = 9,5 ∙ 10¹² км.

I . Механика

Тема 4.

Механическое движение. Относительность движения. Виды движения.

1. Наиболее простой формой движения является механическое движение. Раздел физики, в которой изучается механическое движение, называется механикой.

Механическим движением тела называется изменение его положения в пространстве относительно других тел с течением времени.

Наиболее просто изучить механическое движение материальной точки. Под материальной точкой понимают тело, размером и формой которого можно пренебречь.

2. Когда говорят о движении какого-либо тела, имеют ввиду перемещение его относительно какого-то другого тела. Его называют телом отсчета. С телом отсчета связывают систему координат и по ней определяют положение тела.

Системы отсчета бывают:

1) одномерными:

Х = 50

2) двухмерными:

Х = 30, У = 30

3) трехмерными:

X = 20, Y = 20, Z = 10

Линия, по которой движется тело, называется траекторией. Направленный отрезок прямой, соединяющий начальное и конечное положение тела называется перемещением.

Положение тела относительно: оно различно относительно различных тел отсчета и связанных с ними систем координат. Относительно и движение.

Для характеристики быстроты и направления движения тела служит векторная величина, называемая скоростью [υ = м / с]. Для характеристики быстроты изменения скорости вводят величину, которая называется ускорением [α = м / с²].

3. Существует несколько видов движения:

1) Прямолинейным равномерным движением называется движение, при котором тело за равные промежутки времени совершает одинаковые перемещения.

2) Движение, при котором тело за равные промежутки времени совершает неодинаковые перемещения называется неравномерным прямолинейным движением.

3) Движение, траектория которого кривая линия называется криволинейным.

Движение по криволинейной траектории можно представить как движение по окружности.

Виды движения Характеристики	Прямоли-нейное равномерное движение	Прямолинейное неравномерное движение	Криволинейное движение
Перемещение	S = υ ּt	S = υ₀ּt + ; S = ; S = ; S = ; S = ; S =
Скорость	υ	υ = υ₀ + α ּt	υ = ; υ =
Ускорение	-		; ;

Период, промежуток времени, за который тело совершает один полный оборот [Т = с].

Величину, равную числу оборотов, совершаемых телом за единицу времени называют частотой обращения тела.

n= [ или с^-1]

Тема 5.

Законы Ньютона. Закон всемирного тяготения. Силы в природе.

1. Мы выяснили как тела движутся. На вопрос: почему они движутся отвечает раздел механики – динамика.

Когда тела движутся без ускорения?

Примеры: шайба на льду

Существуют такие системы отсчета относительно, которых поступательно движущееся тело сохраняет свою скорость постоянной, если на него не влияют другие тела, или влияние других тел компенсируют друг друга.

Это I закон Ньютона.

Если же мы наблюдаем ускоренное движение, то можно указать тело, которое его вызвало.

Примеры: книга движется по столу, шайба по льду, столкнулись 2 человека и оба получили ускорение.

Отношение ускорений 2-х взаимодействующих тел равно обратному отношению их масс

а₁m_{1 =}а₂m₂

F = m а [ ]

Сила, действующая на тело, равна произведению массы тела на сообщаемое этой силой ускорение – II закон Ньютона.

Тела действуют друг на друга с силами, равными по модулю и противоположными по направлению - это III закон Ньютона

F₁= - F₂

2. Закон всемирного тяготения:

F= G ∙ , где m₁и m₂- массы тел [кг]

r – расстояние между ними [м]

G – гравитационная постоянная

G = 6,67 ∙ 10^-11

3. Силы в природе:

1) Сила упругости:

она возникает при деформации тела, когда тело стремится восстановить свою первоначальную форму и размеры.

Сила упругости пропорциональна изменению размера тела и направлена в сторону восстановления первоначального размера – закон Гука.

F= к Δ ℓ, где Δ ℓ - изменение размера [м]

к – модуль упругости [Н/м]

F – сила [Н]

2) Сила тяжести: F = m ∙ g, где m – масса тела [кг]

g – ускорение свободного падения[9,8 м/с²]

F – сила [Н]

3) Вес тела:

это сила, с которой тело вследствие его притяжения к Земле действует на опору или подвес

где m – масса тела [кг]

g – ускорение свободного падения[м/с²]

Р – сила [Н]

4) Сила трения

возникает при соприкосновении тел и всегда направлена вдоль поверхности соприкосновения.

F_тр = , μ – коэффициент трения

N – сила давления тела на опору[Н]

Сила трения покоя – это сила, которая мешает сдвинуть с места тяжелый предмет.

Сила трения скольжения возникает, когда одно тело скользит по поверхности другого и мешает движению.

Тема 6.

Импульс. Закон сохранения импульса. Работа. Мощность. Энергия.

1. Импульсом тела называют величину, равную произведению его массы на скорость:

Р = m ּ υ

Пусть на тело действует сила F = m а

Под ее действием тело получает ускорение: а =

тогда: F= m· F= Ft=m υ – m υ₀ Ft – импульс силы

2. Импульс тела обладает важным свойством: сохранением. Это свойство выполняется в замкнутой системе.

Замкнутая система тел – это совокупность тел, взаимодействующих между собой, но не взаимодействующих с другими телами.

Геометрическая сумма импульсов тел, составляющих замкнутую систему, остается постоянной, при любых взаимодействиях тел системы.

m₁ υ_{1 +}m₂ υ_{2 =}m₁ υ₁^΄ + m₂ υ₂^΄, или

Р = Р₁+Р₂+Р₃+… Р_n= Const

Примером закона сохранения импульса является реактивное движение.

3. Работа

Если на тело действует сила, и оно совершает в направлении действия силы перемещения, то сила совершает работу.

Величина, равная произведению силы, действующей на тело, на перемещение и на косинус угла между ними называется работой

А= F· S · сos α [H·м = Дж]

Если векторы F и S совпадают, т.е. угол α между ними равен 0, то сos α = 1, следовательно:

А= F· S.

4. Мощность

Для характеристики действия различных машин важно время, в течение которого совершается работа.

Отношение произведенной работы ко времени, в течение которого эта работа совершена, называется мощностью.

N = [ ]

N = = F υ

Важной характеристикой машин и механизмов является КПД.

η =

КПД равен отношению полезной работы к затраченной, выраженной в процентах

5. Энергия:

Энергия обусловлена перемещением тел и взаимным расположением тел.

Механическая энергия делится на кинетическую и потенциальную.

Кинетическая энергия – это энергия, которой обладают движущиеся тела.

Е_к =

Потенциальная энергия – это энергия взаимодействия, она определяется взаимным расположением тел.

Е_р= mgh

В механических явлениях возможен переход кинетической энергии в потенциальную и наоборот, но полная энергия остается постоянной.

Е_n= Е_к+Е_p= Const – закон сохранения энергии

Во всех явлениях природы энергия никогда не исчезает бесследно и не создается из ничего. Она только превращается из одного вида в другой и переходит от одного тела к другому.

II . Молекулярная физика

Тема 7.

Основные положения молекулярно-кинетической теории. Силы взаимодействия молекул. Скорости движения молекул и их измерение.

«Механика» изучает движение тел, но она не в состоянии объяснить, почему существуют твердые, жидкие и газообразные тела и почему эти тела могут переходить из одного состояния в другое.

Исследование внутренних свойств тел не входит в задачу механики. В механике говорят о силах, как о причинах изменения скоростей тел, но происхождение и природа этих сил не выясняется. Остается непонятным, почему при сжатии тел возникают силы упругости, почему возникают силы трения. На эти и многие другие вопросы механика Ньютона ответов не дает.

Чтобы получить ответы на эти вопросы, мы начинаем изучение раздела «молекулярная физика»

1. Основные положения МКТ:

1) Все вещества состоят из молекул, между которыми существуют промежутки.

2) Молекулы находятся в непрерывном и хаотическом движении.

3) Между молекулами на небольших расстояниях действуют силы притяжения и силы отталкивания. Природа этих сил электромагнитная.

Все эти положения были доказаны и подтверждены с помощью опытов.

I положение: были определены размеры и массы молекул. Молекула – наименьшая частица вещества, сохраняющая свойства этого вещества и способная к самостоятельному существованию.

II положение: Диффузией называется – перемешивание газов, жидкостей и твердых тел при непосредственном контакте. Движение молекул доказывает и тот факт, что газ занимает весь предоставленный ему объем. Различные жидкости легко смешиваются. К числу опытных доказательств того, что молекулы движутся - относится и явление, которое в 1827 году наблюдал английский ботаник Броун (споры плауна в жидкости).

Опыт: краска в жидкости (мелкие частицы краски беспорядочно перемещаются из одного места в другое, более крупные лишь колеблются).

Броуновское движение объясняется тем, что молекулы жидкости ударяются о частички краски, приводя их тем самым в движение.

2. III положение: попробуйте сломать толстую палку. Это сделать трудно. Палка состоит из молекул, и если бы между ними не было сил притяжения, то палка рассыпалась бы. И вообще все вещества в природе находились бы только в газообразном состоянии. Но т.к. есть еще жидкости и твердые тела, следовательно, между молекулами существуют силы притяжения. Но кроме притяжения на близких расстояниях возникают силы отталкивания. Почему?

Молекулы состоят из атомного ядра и электронов. Ядро заряжено положительно, электроны – отрицательно, в целом молекула нейтральна. На больших расстояниях между ними не действуют никакие силы. Пример: газы, они занимают весь представленный объем.

При сближении молекул между ними начинают действовать силы притяжения, которые возникают между электронами одной молекулы и ядром другой. При еще большем сближении на расстояние меньше радиусов молекул, когда электронные оболочки атомов начинают перекрываться, возникают силы отталкивания, которые быстро нарастают и превышают силы притяжения. Таким образом, силы взаимодействия молекул зависят от расстояния между ними.

Характеристики газов, жидкостей и твердых тел

Газы	Жидкости	Твердые тела
Расстояния большие Беспорядочно движутся, занимая весь объем Сжимаются Не имеют ни формы, ни объема	Расстояния маленькие Колеблются лишь изредка перескакивая на другое место Мало сжимаемы Не сохраняют форму, но сохраняют объем	Расстояния очень маленькие Колеблются возле положения равновесия (образуют кристаллическую решетку) Не сжимаемы Сохраняют и форму и объем.

Одно и тоже вещество может находиться во всех трех агрегатных состояниях (вода).

3. Хаотическое движение молекул – это движение тепловое, т.е. при нагревании тела, скорость движения молекул увеличивается.

Скорость движения молекул была вычислена экспериментально в опыте Штерна (1920г).

Прибор состоит из двух концентрических цилиндров А и В, жестко связанных друг с другом. Цилиндры могут вращаться с постоянной угловой скоростью. Вдоль оси малого цилиндра натянута тонкая платиновая проволочка О, покрытая слоем серебра. По этой проволочке пропускают электрический ток. В стенке цилиндра А имеется узкая щель. Воздух из цилиндров откачан.

Вначале прибор неподвижен. При прохождении тока по нити слой серебра испаряется и внутренний цилиндр заполняется газом из атомов серебра. Некоторые атомы пролетают через щель и осаждаются на внутренней поверхности цилиндра В. в результате прямо против щели образуется узкая полоска серебра М. Затем цилиндры приводят во вращение с угловой скоростью ω. Теперь за время t, необходимое атому для прохождения пути, равного разности радиусов цилиндров r_В – r_А, цилиндры повернутся на некоторый угол. В результате атомы попадут на внутреннюю поверхность цилиндра В не прямо против щели, а на некотором расстоянии ℓ. Это расстояние равно: ℓ = ω ּ r_В ּ t

Скорость атома υ =

Подставляя в эту формулу значение t из первой формулы получим:

υ =

Зная ω, r_А, r_В, и измеряя смещение ℓ находят среднюю скорость атомов серебра. В опыте Штерна она оказалась близкой к 500 м / с.

Тема 8.

Масса и размер молекул. Постоянная Авогадро. Идеальный газ. Вакуум. Межзвездный газ. Давление газа. Основное уравнение МКТ идеального газа.

1. Экспериментальным подтверждением первого положения МКТ было определение размеров молекул.

Опыт (масло на поверхности воды никогда не займет всей поверхности, предполагают, что оно расплылось слоем толщиной в 1 молекул. Объем масла: V=S · d d = 1,7 · 10^-7 см

Число молекул в любом макроскопическом поле огромно. Массы их очень малы, поэтому удобно использовать в расчетах не абсолютные значения масс, а относительные. По международному соглашению массы всех атомов молекул сравнивают с массы атома углерода. Относительная молекулярная масса 1 а..е.м. = 1,66 · 10^-27 кг

где m₀ – масса молекулы ; - масса атома углерода

Следующее понятие, с которым мы познакомимся, это количество вещества ν выражается оно в молях.

Моль – это количество вещества, в котором содержится столько же молекул или атомов, сколько их содержится в 0,012 кг углерода.

2. 1 моль любого вещества содержит одинаковое количество атомов или молекул. Количество молекул в одном моле вещества называется постоянной Авогадро в честь итальянского ученого XIX в. и обозначается N_А

N_А= 6,02 · 10²³ моль^-1

Используя N_А можно выразить количество вещества:

ν =

Количество вещества равно отношению числа молекул в данном теле к постоянной Авогадро. Вместе с относительной молекулярной массой используется молярная масса – это масса вещества взятого в количестве одного моля:

М= m₀_·N_А М=М_r· 10^-3 (кг/моль)

Масса любого количества вещества равно произведению массы одной молекулы на число молекул в теле:

m= m₀N, а N= ,

а из формулы М= m₀_·N_а выразим N_А= ;

ν = ν ν

Количество вещества равно отношению массы вещества к его молярной массе.

Число молекул: N = ν =

3. МКТ объясняет свойства веществ, в том числе и газов. Между молекулами газа действуют очень сложные силы взаимодействия, рассмотреть которые весьма трудно. Поэтому в МКТ вместо реального газа рассматривают идеальный, т.е. разреженный. У разреженного газа расстояние между молекулами во много раз больше их размеров. В этом случае взаимодействия между ними мало: притяжения нет, а отталкивание появляется при столкновении молекул. Газ, в котором взаимодействием между молекулами можно пренебречь, а сами молекулы принять за материальные точки, называется идеальным газом. Идеальный газ – это модель реального газа.

При изучении свойств газов экспериментально было установлено, что один моль любого газа при нормальных условиях имеет объем 22,4ּ10^-3 м³ или 22,4 л. Этот результат опытов находится в полном соответствии с известным из химии законом Авогадро: в равных объемах различных газов при одинаковых давлениях и температурах содержится одинаковое число молекул.

4. Число молекул газа в единице объема при нормальных условиях (t=0⁰ C p=10⁵ Па) называется постоянной Лошмидта.

n_л = 2,7 ·10²⁵ молекул в 1м³

Если в каком-либо пространстве, занятом газом, число молекул в единице объема n₀ меньше постоянной Лошмидта, то считают, что в этом пространстве вакуум.

5. В межзвездном пространстве вещество находится в крайне разреженном состоянии и представляет собой мельчайшие частицы пыли, атомы и молекулы газа, в основном водорода. Газ и пыль рассеяны по всему межзвездному пространству.

6. Молекулы газа, ударяясь о тела, или стенки сосуда оказывают на нее давление. Это давление тем больше, чем больше скорость движения молекул, т.е. средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул и их число в единице объема.

Закон Дальтона:

Давление смеси газов равно сумме давлений производимых каждым газом в отдельности.

7. Давление газа прямопропорционально средней кинетической энергии поступательного движения молекул газа и их числу в единице объема:

р = n – концентрация молекул

Т.к. Е_к = , то р = n_·= nּm₀υ_c_р²

Это и есть основное уравнение МКТ идеального газа.

Тема 9.

Абсолютный нуль. Термодинамическая шкала температур. Температура – как мера средней кинетической энергии. Уравнение Клапейрона-Менделеева. Объединенный газовый закон.

1. Поведение газов можно охарактеризовать несколькими величинами, которые относятся не к отдельным молекулам, а ко всем сразу. Это объем (V); давление (Р) и температура (Т). Их называют термодинамическими.

Температура характеризует степень нагретости тела. Измеряют ее термометром. Для измерения температуры используют зависимость объема жидкости от ее температуры. За 0⁰ С берут температуру таяния льда, за 100⁰ – кипения воды.

Если взять ртутный термометр и спиртовой, то 0⁰С и 100⁰С будут совпадать, а например. 50⁰ С нет, т.к. разные жидкости неодинаково расширяются при нагревании. А вот разреженные газы при изменении температуры расширяются одинаково.

Выясним, при каких условиях давление идеального газа будет =0. Так как давление определяется ударами молекул, то когда они перестанут двигаться Е_к=0 и Р=0.

Температуру, при которой должно прекратиться поступательное движение молекул, называется абсолютным нулем.

2. Английский ученый Кельвин предложил термодинамическую шкалу температур:

Т=t+273

Шкала Кельвина шкала Цельсия

3. Из основного уравнения МКТ: Р= nЕ_к n=

Р= · ·Е = · Е

Следовательно, величина Р · - пропорциональна температуре:

Р · = kT,

где k=постоянная Больцмана k=1,38 ·10^-23Дж/К

= Е и =kT Е= kT

Абсолютная температура есть мера средней кинетической энергии движения молекул.

Е= kТ,

где Т – термодинамическая температура [K],

k – постоянная Больцмана

Р= n Е и Е= k Т Р= nkТ

Давление газа не зависит от его природы, а определяется только концентрацией молекул и температурой газа.

Выведем формулу для вычисления средней квадратичной скорости молекул:

Е= k Т и Е_к = k Т = 3 kT = m₀ =

4. Так как PV = NkT и N= РV= кT,

Обозначим величину кN_А через R – универсальная газовая постоянная

R = 8,31 ,

Тогда РV = ·RT – уравнение Клапейрона-Менделеева

Оно связывает основные термодинамические величины: Р,V,Т.

5. Обозначим параметры: 1-го состояния газа - Р₁, V₁, Т₁,

а 2-го состояния - Р_2,V₂,Т_2.,

то = · R и = · R следовательно, = или

= Соnst - объединенный газовый закон:

при постоянной массе газа произведение объема на давление, деленное на абсолютную температуру газа, есть величина постоянная.

Тема 11.

Изопроцессы. Их графики в координатах рV, VT, рT.

Изменение одного из термодинамических параметров – давления, объема, температуры – вызывает изменение остальных параметров. Эту зависимость называют газовыми законами или изопроцессам.

Процессы, при которых масса газа и один из его параметров остаются постоянными, называются изопроцессами (от греческого слова «изос» - равный, одинаковый). Поскольку имеется три параметра газа: давление, температура и объем, существуют три различных изопроцесса: изотермический, изохорный, изобарный.

Первый газовый закон был открыт английским ученым Бойлем в 1660 г. и несколько позднее, французский физик Мариотт пришел к тем же выводам. Закон получил название закона Бойля – Мариотта. Процесс изменения состояния системы при постоянной температуре называется изотермическим. Произведение давления данной массы газа на его объем при неизменной температуре есть величина постоянная

p₁V₁ = p₂V₂ или

pV = Const при T = Const

Зависимость давления газа от объема можно изобразить графически с помощью кривой, которая носит название изотерма. Она выражает обратно пропорциональную зависимость между давлением и объемом.

Устанавливаемую законом Бойля – Мариотта зависимость давления от объема можно проверить с помощью прибора, изображенного на рисунке. Гофрированный сосуд соединен с манометром М, регистрирующим давление внутри сосуда. При вращении винта В объем сосуда меняется. Меняя объем сосуда можно убедиться в справедливости закона.

Закон, устанавливающий зависимость объема газа от температуры при постоянном давлении, был открыт французским ученым Гей-Люссаком. Процесс изменения состояния системы при постоянном давлении называется изобарным. Отношение объема данной массы газа к его температуре при постоянном давлении есть величина постоянная.

или

= Const при р = Const

Зависимость объема газа от температуры можно изобразить графически с помощью кривой, которая носит название изобара. Она выражает прямо пропорциональную зависимость между объемом и температурой.

Устанавливаемую законом Гей – Люссаком зависимость объема от температуры можно проверить с помощью прибора, изображенного на рисунке. Колба с газом помещается в сосуд с водой и льдом. В пробку вставлена трубка, изогнутая таким образом, что свободный конец ее горизонтален. Газ в колбе отделен от окружающего воздуха небольшим столбиком ртути в трубке. Температуру газа определяют по термометру, а объем по положению столбика ртути. Сначала по положению столбика ртути 1 определяют объем газа при 0⁰С. Затем газ нагревают – столбик ртути перемещается в положение 2.

Закон, устанавливающий зависимость давления газа от температуры при постоянном объеме, был открыт французским ученым Шарлем в 1787 г. Процесс изменения состояния системы при постоянном объеме называется изохорным. Отношение давления данной массы газа к его температуре при постоянном объеме есть величина постоянная.

или

= Const при V = Const

Зависимость давления газа от температуры можно изобразить графически с помощью кривой, которая носит название изохора. Она выражает прямо пропорциональную зависимость между давлением и температурой.

Устанавливаемую законом Шарля зависимость давления от температуры можно проверить с помощью прибора, изображенного на рисунке. Гофрированный сосуд соединен с манометром, регистрирующим давление внутри сосуда. При опускании сосуда сначала в холодную, а потом в горячую можно убедиться в справедливости закона.

Тема 13.

Изменение внутренней энергии газа в процессе теплообмена. Первое начало термодинамики.

1. Внутренняя энергия идеального газа представляет собой кинетическую энергию хаотического теплового движения его молекул, их потенциальная энергия считается равной нулю, т.к. молекулы идеального газа не взаимодействуют друг с другом.

Вычислим внутреннюю энергию идеального одноатомного газа:

Е= kT – одного атома N= N_А

Тогда

U = Е · N = kT · N_А= RT ·

U= RT

Изменение внутренней энергии вычисляется по формуле:

∆U= R∆T

Для идеальных газов внутренняя энергия зависит только от температуры.

Для реальных газов внутренняя энергия определяется как кинетической, так и потенциальной энергией взаимодействия частиц, т.к. в реальных газах атомы и молекулы взаимодействуют друг с другом. Следовательно, внутренняя энергия зависит еще и от объема, т.к. при изменении объема, меняется расстояние между молекулами. Изменить внутреннюю энергию можно нагревая тело, т.е. путем теплопередачи.

Процесс передачи энергии от одного тела к другому без совершения работы называется теплопередачей. А энергию, переданную телу в результате теплопередачи, называется количеством теплоты.

1) Количество теплоты необходимое для нагревания тела:

Q = сm ΔT, c – удельная теплоемкость [ ]

2) Количество теплоты необходимое для плавления

Q = λ m, λ – удельная теплота плавления [ ]

3) Количество теплоты необходимое для парообразования

Q= r m, r – удельная теплота парообразования [ ]

2. Для тепловых явлений закон сохранения энергии тоже справедлив, но здесь он получил название первого закона термодинамики:

Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты переданного системе:

ΔU = A+ Q

Если система совершает работу над внешними телами, то подводимое к системе количество теплоты идет на увеличение ее внутренней энергии и на совершение работы над внешними телами

Q = ΔU + А΄

На основании 1 начала термодинамики составляется уравнение теплового баланса по которому ведутся все тепловые расчеты.

При теплообмене сумма количеств теплоты отданных всеми телами, внутренняя энергия которых уменьшается и равна сумме количеств теплоты полученных всеми телами, внутренняя энергия которых увеличивается

Тема 14.

Работа газа при изобарном изменении его объема. Применение первого начала термодинамики к изопроцессам.

1. Внутренняя энергия тела может меняться в результате теплопередачи и при совершении работы над системой или системы над внешними телами.

Эта работа равна А= р ΔV

Газ находится в сосуде, поршень опускают, при этом совершают работу над газом. Внутренняя энергия газа меняется – увеличивается. Так как при движении поршня навстречу молекулам газа он сталкивается с ними и передает им часть своей энергии и скорость движения молекул увеличивается. Следовательно, увеличивается внутренняя энергия.

При сжатии газа: работа отрицательна, т.к.

ΔV= V₂ – V₁ < 0 A= - p ΔV

Когда поршень поднимается вверх, внутренняя энергия уменьшается. Т.к. при столкновении молекул с удаляющимся поршнем скорость их уменьшается и внутренняя энергия уменьшается.

При расширении газ совершает положительную работу, т.к.

ΔV= V₂ – V₁ > 0 A^΄= p ΔV

2. Рассмотрим применение 1 начала термодинамики к изопроцессам.

1) Изотермический процесс: Т= Const внутренняя энергия не меняется, т.е. ΔU = 0

Тогда первое начало термодинамики Q = ΔU + А΄ будет иметь вид

Q = A^΄

Если газ получает теплоту, то совершает положительную работу; если газ отдает теплоту, то совершает отрицательную работу.

2) Изохорный процесс: V= Const ΔV = 0, следовательно А = 0

Тогда первое начало термодинамики ΔU = A+ Q будет иметь вид

ΔU = Q

Если газ нагревается, то внутренняя энергия увеличивается; если газ охлаждается, то внутренняя энергия уменьшается.

3) Изобарный процесс: р= Сonst

Тогда первое начало термодинамики будет иметь вид

Q= ΔU + A΄

т.е. количество теплоты, переданное телу идет на изменение его внутренней энергии и на совершение им работы.

4) Адиабатный процесс – это процесс, который происходит в системе, которая не обменивается теплотой с окружающими телами (т.е. теплоизолированной системе).

Q = 0

Тогда первое начало термодинамики ΔU = A+ Q будет иметь вид

ΔU = А,

т.е. изменение внутренней энергии происходит за счет совершения работы.

Тема 15.

Необратимость тепловых процессов. Понятие о втором начале термодинамики. Принцип действия тепловой машины.

1. Закон сохранения энергии утверждает, что количество энергии при любых ее превращениях остается неизменным. Но он ничего не говорит о том, какие превращения возможны. А между тем, многие процессы, вполне допустимые с точки зрения закона сохранения энергии в действительности никогда не происходят.

1) Пример: в стакан с горячим чаем опускают холодную ложку, она нагревается, т.е. тепло переходит от горячего чая к холодной ложке. Противоположного процесса, т.е. перехода тепла от ложки нет.

Вывод: теплота может переходить только от более горячего тела к более холодному. Обратный процесс, хотя и не противоречит закону сохранения энергии – не происходит.

2) Пример: колебания маятника, выведенного из положения равновесия, затухают, т.к. из-за сопротивления воздуха, механическая энергия убывает, а температура шара и воздуха повышается. А вот обратный процесс - увеличение амплитуды колебаний маятника за счет уменьшения внутренней энергии шара не происходит.

Вывод: механическая энергия может самопроизвольно переходить во внутреннюю, а внутренняя в механическую не может.

Следовательно, пример перехода тепла от горячего тела к холодному, механической энергии во внутреннюю – примеры необратимых процессов.

2. Эти примеры говорят о том, что все процессы в природе имеют определенную направленность. Исходя из этого, немецкий ученый Клаузиус сформулировал второй закон термодинамики:

Невозможно перевести теплоту от более холодной системы к более горячей при отсутствии других изменений в обеих системах или в окружающих телах.

3. Запасы внутренней энергии земной коре и океанах не ограничены. Но необходимо их использовать, т.е. создать такие устройства, которые бы внутреннюю энергию превращали в механическую.

Этими устройствами являются тепловые двигатели.

А΄ = |Q₁| - |Q₂|

КПД называется отношение работы А΄, совершенной двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

ή= = = 1 - ή < 1

В 1824 г. французский ученый Карно установил, что максимальное КПД тепловой машины зависит от соотношения температур рабочего тела и холодильника.

ή =

Тема 16.

Понятие фазы вещества. Насыщенный пар и его свойства. Влажность воздуха. Точка росы. Приборы для определения влажности воздуха.

1. Все вещества в природе могут находиться в 3-х агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. МКТ объясняет почему вещества могут переходить из одного агрегатного состояния в другое.

Например: количество жидкости в открытом сосуде уменьшается, мы говорим жидкость испаряется. Почему? Молекулы жидкости движутся. Обладают некоторой кинетической энергией. Одни – большей, другие – меньшей. Те молекулы, которые обладают большей кинетической энергией могут преодолеть силы притяжения других молекул и вырваться с поверхности жидкости. Так происходит процесс испарения.

Наряду с испарением происходит конденсация – обратный процесс, когда молекулы возвращаются обратно жидкость. Если сосуд с жидкостью закрыть крышкой, то количество жидкости сначала будет уменьшаться, но через некоторое время ее убыль прекратится. При неизменной температуре система жидкость-пар придет в состояние теплового равновесия и будет находиться в нем сколь угодно долго. Мы здесь говорим пар, а не газ, т.к. при определенных условиях свойства газа зависят от его рода, в таких условиях газ называют паром. В этом состоянии одновременно с процессом испарения происходит процесс конденсации. Через некоторое время число испаряющихся молекул в закрытом сосуде станет равно числу возвращающихся в жидкость молекул. Между жидкостью и паром установилось динамическое равновесие.

2. Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным паром, т.е. в данном сосуде над жидкостью не может находиться большее количество пара.

Давление пара, при котором жидкость находится в равновесии со своим паром, называют давлением насыщенного пара.

Давление насыщенного пара не зависит от объема, а зависит от его природы и быстро растет с повышением температуры. Следовательно, насыщенный пар не подчиняется газовым законам.

Для идеального газа изохора:

У насыщенного пара р растет быстрее, чем у идеального газа: участок АВ. Почему? При нагревании жидкость превращается в пар, следовательно, растет концентрация молекул, а значит и давление. Когда вся жидкость испарится, то пар перестанет быть насыщенным и его давление будет пропорционально температуре: участок ВС.

3. Т.к. с поверхности морей, озер, рек происходит испарение воды, в атмосфере Земли всегда содержится водяной пар. Перемещение воздушных масс приводит к тому, что в одних местах количество водяных паров больше, чем в глубине материков. Величина, характеризующая содержание водяных паров в атмосфере называется влажностью воздуха. Для количественной оценки влажности воздуха используют абсолютную и относительную влажность.

Абсолютную влажность воздуха измеряют плотностью водяного пара ρ_а, находящегося в воздухе или его давление р_а .

Относительная влажность это отношение абсолютной влажности ρ_ак плотности водяного пара ρ_н, выраженной в %.

В= · 100% или

Относительная влажность это отношение абсолютной влажности ρ_а к давлению водяного пара р_н, выраженное в %.

В= · 100%

4. Если охлаждать пар при постоянном давлении он рано или поздно превратится в насыщенный пар. Температуру, при которой водяной пар становится насыщенным, называется точкой росы.

Пример: пусть абсолютная влажность воздуха при 22⁰С ρ_а = 0,094 кг/м³

Плотность насыщенного водяного пара р_а = 0,0194 кг/м³

тогда: В= · 100%= 48%