Внутренняя энергия тела может изменяться только в результате его взаимодействия с другими телами. Существует два способа изменения внутренней энергии: теплопередача и совершение механической работы (например, нагревание при трении или при сжатии, охлаждение при расширении).
Теплопередача – это изменение внутренней энергии без совершения работы: энергия передаётся от более нагретых тел к менее нагретым. Теплопередача бывает трёх видов: теплопроводность (непосредственный обмен энергией между хаотически движущимися частицами взаимодействующих тел или частей одного и того же тела); конвекция (перенос энергии потоками жидкости или газа) и излучение (перенос энергии электромагнитными волнами). Мерой переданной энергии при теплопередаче является количество теплоты (Q).
Эти способы количественно объединены в закон сохранения энергии, который читается так. Изменение внутренней энергии замкнутой системы равно сумме количества теплоты, переданной системе, и работы внешних сил, совершенной над системой.DU=Q+A, где DU – изменение внутренней энергии, Q – количество теплоты, переданное системе, А – работа внешних сил. Если система сама совершает работу, то её условно обозначают А’. Тогда закон сохранения энергии для тепловых процессов, который называется первым законом термодинамики, можно записать так: Q=A’+DU, т.е. количество теплоты, переданное системе, идёт на совершение системой работы и изменение её внутренней энергии.
При изобарном нагревании газ совершает работу над внешними силами A’=p(V2-V1)=pDV, где V1и V2 – начальный и конечный объёмы газа.
Если процесс не является изобарным, величина работы может быть определена площадью фигуры, заключённой между линией, выражающей зависимость p(V) и начальным и конечным объёмами газа (рис.)
Рассмотрим применение первого закона термодинамики к изопроцессам, происходящим с идеальным газом.
В изотермическом процессе температура постоянная, следовательно, внутренняя энергия не меняется. Тогда уравнение первого закона термодинамики примет вид: Q=A’, т.е. количество теплоты, переданное системе, идёт на совершение работы при изотермическом расширении, именно поэтому температура не изменяется.
В изобарном процессе газ расширяется и количество теплоты, переданное газу, идёт на увеличение его внутренней энергии и на совершение им работы: Q=DU+A’.
При изохорном процессе газ не меняет своего объёма, следовательно, работа им не совершается, т.е. А=0, и уравнение первого закона имеет вид Q=DU, т.е. переданное количество теплоты идёт на увеличение внутренней энергии газа.
Адиабатным называют процесс, протекающий без теплообмена с окружающей средой. Q=0, следовательно, газ при расширении совершает работу за счёт уменьшения его внутренней энергии, следовательно, газ охлаждается, A’=DU. Кривая, изображающая адиабатный процесс, называется адиабатной.
Билет 10.
Вопрос 1. Взаимодействие заряжённых тел. Закон Кулона. Закон сохранения электрического заряда.
Законы взаимодействия атомов и молекул удаётся понять и объяснить на основе знаний о строении атома, используя планетарную модель его строения. В центре атома находится положительно заряжённое ядро, вокруг которого вращаются по определённым орбитам отрицательно заряжённые частицы. Взаимодействие между заряжёнными частицами называется электромагнитным. Интенсивность электромагнитного взаимодействия определяется физической величиной – электрическим зарядом, который обозначается q. Единица электрического заряда – кулон (Кл). 1 кулон – это такой электрический заряд, который, проходя через поперечное сечение проводника за 1с, создаёт в нём ток силой 1 А. Способность электрических зарядов как к взаимному притяжению, так и к взаимному отталкиванию объясняется существованием двух видов зарядов. Один вид заряда назвали положительным, носителем элементарного положительного заряда является протон. Другой вид заряда назвали отрицательным, его носителем является электрон. Элементарный заряд равен e=1,6×10-19Кл.
Заряд тела всегда представляется числом, кратным величине элементарного заряда:
q=e(Np-Ne),
где Ne – количество электронов, Np – количество протонов.
Полный заряд замкнутой системы (в которую не входят заряды извне), т.е. алгебраическая сумма зарядов всех тел, остаётся постоянной: q1+q2+…+qn=const. Электрический заряд не создаётся и не исчезает, а только переходит от одного тела к другому. Этот экспериментально установленный факт называется законом сохранения электрического заряда. Никогда и нигде в природе не возникает и не исчезает электрический заряд одного знака. Появление и исчезновение электрических зарядов на телах в большинстве случаев объясняется переходами элементарных заряжённых частиц – электронов – от одних тел к другим.
Электризация – это сообщение телу электрического заряда. Электризация может происходить, например, при соприкосновении (трении) разнородных веществ и при облучении. При электризации в теле возникает избыток или недостаток электронов.
В случае избытка электронов тело приобретает отрицательный заряд, в случае недостатка – положительный.
Законы взаимодействия неподвижных электрических зарядов изучает электростатистика.
Основной закон электростатистики был экспериментально установлен французским физиком Шарлем Кулоном и читается так: модуль силы взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме прямо пропорционален произведению величин этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними. F=k×|q1|×|q2|/r2, где q1 и q2 – модули зарядов, r – расстояние между ними, k – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц, в СИ k=9×109Н×м2/Кл2.
Величина, показывающая, во сколько раз сила взаимодействия зарядов в вакууме больше, чем в среде, называется диэлектрической проницаемостью среды e . Для среды с диэлектрической проницаемостью e закон Кулона записывается следующим образом:
F=k×|q1|×|q2|/(e×r2).
Вместо коэффициента k часто используется коэффициент, называемый электрической постоянной e0. Электрическая постоянная связана с коэффициентом k следующим образом: k=1/4pe0и численно равна e0=8,85×10-12 Кл/Н×м2.
С использованием электрической постоянной закон Кулона имеет вид:
F=1/(4pe0)×|q1|×|q2|/r2.
Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатистическим, или кулоновским, взаимодействием. Кулоновские силы можно изобразить графически (2 рисунка).
Кулоновская сила направлена вдоль прямой, соединяющей заряжённые тела. Она является силой притяжения при разных знаках зарядов и силой отталкивания при одинаковых знаках.
Билет 11.
Вопрос 1. Конденсаторы. Электроёмкость конденсатора. Энергия заряжённого конденсатора. Применение конденсаторов.
Для накопления значительных количеств разноимённых электрических зарядов применяются конденсаторы. Конденсатор – это система двух проводников (обкладок), разделённых слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников. Так, например, две плоские металлические пластины, расположенных параллельно и разделённые диэлектриком, образуют плоский конденсатор. Если пластинам плоского конденсатора сообщить равные по модулю заряды противоположного знака, то напряжённость между пластинами будет в два раза больше, чем напряжённость одной пластины. Вне пластин напряжённость равна нулю.
Обозначаются конденсаторы на схемах так:
- - конденсатор постоянной ёмкости;
- - конденсатор переменной ёмкости.
Электроёмкостью конденсатора называют величину, равную отношению заряда одной из пластин к напряжению между ними. Электроёмкость обозначается С.
По определению С=q/U. Единицей электроёмкости является фарад (Ф). 1 фарад – это электроёмкость такого конденсатора, напряжение между обкладками которого равно 1 вольту при сообщении обкладкам разноимённых зарядов по 1 кулону.
Электроёмкость плоского конденсатора находится по формуле:
C=ee0S/d,
где e0 – электрическая постоянная, e - диэлектрическая постоянная среды, S – площадь обкладки конденсатора, d – расстояние между обкладками (или толщина диэлектрика).
Если конденсаторы соединяются в батарею, то при параллельном соединении C0=C1+C2 (рис.) При последовательном соединении 1/C0=1/C1+1/C2 (рис.2)
В зависимости от типа диэлектрика конденсаторы бывают воздушные, бумажные, слюдяные.
Конденсаторы применяются для накопления электроэнергии и использования её при быстром разряде (фотовспышка), для разделения цепей постоянного и переменного тока, в выпрямителях, колебательных контурах и других радиоэлектронных устройствах.
Билет 12.
Вопрос 1. Работа и мощность в цепи постоянного тока. Электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи.
В электрическом поле из формулы определения напряжения (U=A/q) легко получить выражение для расчёта работы переноса электрического заряда А=Uq, так как для тока заряд q=It, то работа тока: A=UIt, или A=I2Rt=U2/R×t.
Мощность по определению N=A/t, следовательно, N=UI=I2R=U2/R.
Русский учёный Х. Ленц и английский учёный Джоуль опытным путём в середине прошлого века установили независимо друг от друга закон, который называется законом Джоуля-Ленца и читается так. При прохождении тока по проводнику количество теплоты, выделившейся в проводнике, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока. Q=I2Rt.