Конспект лекций по физике для довузовской подготовки москва -2014
жүктеу/скачать 1,26 Mb. Pdf көрінісі
|
Конспект лекций по физике
- Бұл бет үшін навигация:
- Теплопередача
- 5.2.2. Теплоемкость . Изменение агрегатных состояний вещества
- Удельной теплотой сгорания
- 5.2.3. Тепловая машина
- Тепловой машиной
- 5.2.4. Температурные коэффициенты линейного и объемного
- Коэффициентом линейного расширения
- Коэффициентом объемного расширения
- 5.2.5. Насыщенные и ненасыщенные пары . Влажность
- Относительной влажностью
- 5.3. Поверхностное натяжения . Капиллярные явления
- Коэффициентом поверхностного натяжения
Раздел физики , в которой изучаются явления , связанные с взаимным превращением механической и внутренней энергий и пере - дачей внутренней энергии от одной системы к другой называется термодинамикой . В термодинамике не рассматривают внутримоле - кулярную энергию молекул ( можно пренебречь ), поэтому под внут - ренней энергией системы в термодинамике понимают сумму кинети - ческой энергии молекул и потенциальной энергии их взаимодействия . В идеальном газе , как известно , пренебрегают и потенциальной энер - гией взаимодействия молекул . Из закона сохранения энергии следует , что если система явля - ется замкнутой ( т . е . она не обменивается веществом и энергией с другими системами ), то ее внутренняя энергия сохраняется . В этом плане внутренняя энергия U – функция состояния системы . Если рассмотреть идеальный газ , то средняя кинетическая энергия отдельных молекул , согласно (5.1), определяется как k Т 2 i W K , (5.14) тогда внутренняя энергия одного моля идеального газа будет равна W ( моля ) i 2 kN T i 2 RT K A , (5.15) где R = kN A – газовая постоянная , входящая в уравнение Клапейрона - Менделеева . Конспект лекций 68 В целом внутренняя энергия произвольной массы m идеаль - ного газа задается выражением U i 2 m M RT . (5.16) Внутренняя энергия системы может изменяться за счет со - вершения над ней работы ( например , сжатие или растяжение тела ) или за счет теплопередачи . Теплопередача ( передача внутренней энергии от одного тела другому без совершения при этом телами ра - боты ) происходит на молекулярном уровне и связана с передачей энергии от молекул более нагретого тела к молекулам менее нагретых тел . Эта передача может осуществляться путем конвекции , теплопро - водности и излучения . Количество энергии , передаваемое от тела к телу путем теп - лопередачи , называется количеством тепла Q. Обобщением закона сохранения энергии на тепловые явления является первое начало термодинамики : количество тепла Q , со - общенного системе , затрачивается на приращение внутренней энер - гии системы U и на совершение системой работы А над внешними телами , то есть Q = U+A . (5.17) Этот закон показывает невозможность создания вечного двигателя первого рода , который бы совершал работу в количестве большем , чем получаемая извне энергия . При изобарических про - цессах , например при нагревании газа в цилиндре , находящегося под подвижным тяжелым порш - нем ( рис . 5.5), работа расши - ряющегося газа будет равна А = F l = psl = p V, (5.18) где F – сила давления газа на поршень , l – перемещение порш - ня при постоянном давлении , s – площадь поршня и V – изменение объема газа . F Q Рис . 5.5 m g В . А . Никитенко , А . П . Прунцев 69 При изохорических процессах уравнение (5.18) имеет вид Q = U , (5.19) при изотермических , согласно (5.16), имеем Q = A . (5.20) Наконец , возможен так называемый адиабатный процесс ( когда Q=0), то есть процесс , протекающий без теплообмена с окружающей средой ( в реальной ситуации – очень быстрые процессы : выстрел пробки из бутылки с шампанским , распространение звука в среде и т . д .). 5.2.2. Теплоемкость . Изменение агрегатных состояний вещества Физическая величина С , равная количеству тепла , которое не - обходимо сообщить телу , чтобы повысить его температуру на один градус , называется теплоемкостью тела . В системе единиц СИ теп - лоемкость выражается в Дж / К . Удельной теплоемкостью c называют теплоемкость тела , масса которого равна единице . Она измеряется в Дж / кг К . Очевидно , что С = с m , (5.21) а выражение Q = cm (t 2 –t 1 ) (5.22) соответствует количеству тепла , которое необходимо сообщить телу массы m для нагревания его от температуры t 1 до температуры t 2 ( при остывании этого тела от температуры t 2 до t 1 такое количество тепла выделяется ). Нагревание газа может происходить в разных условиях , на - пример при постоянном объеме или при постоянном давлении . При этом теплоемкости отличаются : с р с v , так как газ , который нагревает - ся при постоянном давлении , расширяется , и часть сообщаемого ему количества тепла расходуется на работу расширения . Вещество может гореть . Удельной теплотой сгорания топ - лива называют количество тепла q, которое выделяется при полном сгорании единицы массы топлива ( измеряется в Дж / кг ). Горение – это Конспект лекций 70 яркий пример необратимого процесса , рассеянное тепло , полученное при горении вещества невозможно собрать обратно . Вещество может переходить из одного агрегатного состояния в другое ( переход из одной фазы в другую ). Примером фазовых пере - ходов является плавление твердого тела и отвердевание жидкости или испарение и конденсация пара . Переход вещества из одной фазы в другую при заданном давлении обычно происходит при строго опре - деленной температуре . Плавление – это переход вещества из твердого состояния в жидкое . Температуру , при которой плавится кристаллическое тело при постоянном давлении называют температурой плавления . Аморфные тела ( стекло , парафин и т . д .) размягчаются постепенно и не имеют определенной температуры плавления . Количество тепла , необходимое для плавления единицы мас - сы твердого кристаллического вещества при температуре плавления и постоянном давлении называют удельной теплотой плавления ( изменяется в Дж / кг ). При обратном процессе ( отвердевании жидко - сти ) выделяется эквивалентное количество тепла . Парообразование может происходить путем испарения и ки - пения . Испарение наблюдается с поверхности жидкости при любой температуре и тем интенсивнее , чем выше температура жидкости , меньше внешнее давление и силы сцепления молекул , быстрее удале - ние образовавшихся над жидкостью паров . При кипении парообразо - вание происходит одновременно внутри и с поверхности жидкости . Кипение при постоянном давлении имеет место при определенной температуре , называемой точкой кипения ( очевидно , что при уменьшении внешнего давления температура кипения понижается ). Количество тепла r, необходимое для превращения единицы массы жидкости в пар при температуре кипения , называется удель - ной теплотой парообразования ( измеряется в Дж / кг ). При конден - сации пара выделяется такое же количество тепла , которое было за - трачено на испарение жидкости . 5.2.3. Тепловая машина В . А . Никитенко , А . П . Прунцев 71 Тепловой машиной называют периодически действующее устройство , которое совершает работу за счет получаемого извне ко - личества теплоты . Любая тепловая машина состоит из нагревателя , рабочего тела и холодильника ( например , окружающая машину сре - да ), при этом в ней происходит многократное повторение одного и того же рабочего цикла . Коэффициент полезного действия ( КПД ) тепловой машины находится по формуле = A Q Q Q Q 1 1 2 1 , (5.23) где Q 1 – количество теплоты , передаваемое нагревателем рабочему телу , Q 2 – количество теплоты , передаваемое рабочим телом холо - дильнику , А – работа , совершаемая тепловой машиной за один цикл . Максимальный КПД ( max ) характерен для идеализированного обратимого цикла Карно ( две изотермы и две адиабаты ): max = Т Т Т 1 2 1 , (5.24) где Т 1 – термодинамическая температура нагревателя и Т 2 – термоди - намическая температура холодильника . КПД реальной тепловой ма - шины обычно не превышает 50%. 5.2.4. Температурные коэффициенты линейного и объемного расширения Большинство тел при нагревании увеличивает свой объем . Для твердых тел , сохраняющих свою форму при изменении темпера - туры , вводят коэффициенты линейного и объемного расширения . Коэффициентом__объемного__расширения'>Коэффициентом__линейного__расширения'>Коэффициентом линейного расширения называют параметр , показывающий на какую долю первоначальной длины удлиняется тело , имеющее температуру 0 0 С , при нагревании его на один градус : = l l l t t o o , (5.25) где l o и l t – соответственно длина тела при температуре 0 0 С и t 0 С . От - сюда выражаем Конспект лекций 72 l t = l o (1+ t) . (5.26) Коэффициентом объемного расширения называют параметр , показывающий на какую долю первоначального объема увеличива - ется объем тела , имеющего температуру 0 0 С , при нагревании его на один градус : = V V V t t o o , (5.27) где V o и V t – соответственно объем тела при температуре 0 0 С и t 0 С . Из (5.27) находим V t = V o (1+ t) . (5.28) 5.2.5. Насыщенные и ненасыщенные пары . Влажность воздуха С увеличением числа молекул над жидкостью , появляющихся в процессе испарения , увеличивается вероятность их возвращения обратно в жидкость . При достаточно высокой плотности молекул над поверхностью жидкости число вылетающих и возвращающихся назад молекул сравнивается , наступает насыщение , которому соответствует предельная концентрация пара при данной температуре . Пар называется насыщенным , если он находится в состоя - нии динамического равновесия со своей жидкостью . При понижении температуры воздуха ненасыщенный пар мо - жет превратиться в насыщенный . Температура , при которой пар , на - ходящийся в воздухе , превращается в насыщенный , называется точ - кой росы воздуха данной влажности . Абсолютной влажностью воздуха называется масса водяного пара , который содержится в единице объема воздуха ( плотность во - дяного пара в воздухе ): = = m V . (5.29) Относительной влажностью воздуха называют отношение плотности водяного пара , содержащегося в воздухе к плотности насы - щенного пара при той же температуре ( обычно выражается в процен - тах ): В . А . Никитенко , А . П . Прунцев 73 = í àñ 100% (5.30) или согласно уравнению Клапейрона - Менделеева можно записать как = р р í àñ 100% (5.31) 5.3. Поверхностное натяжения . Капиллярные явления Результирующая сил R , действующих на некоторую мо - лекулу , находящуюся внутри объема жидкости , со стороны окружающих молекул равна ну - лю ( рис . 5.7). Если же молекула расположена на поверхностном слое жидкости , то на эту молеку - лу должна действовать сила R 0, стремящаяся переместить моле - кулу внутрь жидкости . Это приводит к тому , что жидкость принимает форму , при которой на ее поверхности располагается минимальное число молекул , т . е . поверхность жидкости становится наименьшей при отсутствии внешних сил . Такому условию отвечает шарообразная форма . Таким образом , поверхностный слой жидкости находится в состоянии натяжения и обладает запасом потенциальной энергии . Коэффициентом поверхностного натяжения называют ве - личину , численно равную силе F , действующей на единицу длины ли - нии l, ограничивающей поверхностный слой = м H l F . (5.32) Иногда коэффициент поверхностного натяжения рассчитыва - ют как отношение потенциальной энергии поверхностного слоя к ве - личине этой поверхности . Рис . 5.7 R 0 R =0 Конспект лекций 74 = W S . (5.33) Итак , поверхностное натяжение определяет форму жидкости , на границе жүктеу/скачать 1,26 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|