Важным понятием в молекулярной физике и термодинамике является понятие термодинамической системы, к рассмотрению которого мы и пе­реходим

1. Важным понятием в молекулярной физике и термодинамике является понятие термодинамической системы, к рассмотрению которого мы и пе­реходим.

1.Термодинамической системой (или просто системой) называют совокупность большого числа молекул, атомов или ионов, находящихся в тепловом движении и взаимодействующих между собой. Такими система­ми являются твёрдые тела, жидкости, газы. Состояние термодинамической системы характеризуется совокупностью небольшого числа физических величин, называемых параметрами состояния. Например, для газа в ка­честве таких параметров обычно используют давление, объём и темпера­туру Простейшей термодинамической системой является идеальный газ.

 2. Газ называют идеальным, если выполняются следующие условия:

а) Размеры молекул исчезающе малы

б) Силы притяжения между молекулами отсутствуют.

в) Столкновения молекул между собой и со стенками сосуда упругие, те. в результате этих соударений кинетическая энергия и импульс всех молекул, находящихся в сосуде, не изменяется.

Хотя идеальных газов в природе не существует, реальные газы при обычных условиях (при малых давлениях и не слишком низких темпера­турах) в достаточно хорошем приближении можно рассматривать как иде­альные.

 

З. Основным уравнением молекулярно-кинетической теории иде­ального газа принято называть соотношение, связывающее давление газа и кинетическую энергию поступательного движения молекул, содержа­щихся в единице объёма Запишем уравнение без вывода.

т.е. давление газа равно двум третям кинетической энергии поступательного движения молекул, находящихся в единице объёма

2.Температура — одно из основных понятий физики. Она характеризует степень нагретости тела. Первоначально это понятие возникло из наших ощущений холодное, теплое, горячее. Однако такой критерий крайне субъективен, поскольку ощущения зависят от состояния человека. Напри­мер, если одну руку подержать в холодной воде, а другую - в горячей, а затем опустить их в воду комнатной температуры, то ощущения для них будут различными. Поэтому необходимо ввести объективный критерий для измерения температуры. Так, в термодинамике температуру связывают с теплообменом, т.е. передачей энергии от одного тела к другому без со­вершения работы. Известно, что перенос энергии осуществляется от тела с более высокой температурой к телу с более низкой. Если теплообмен не происходит, то температуры этих тел одинаковы. Такое состояние называ­ется тепловым равновесием.

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

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

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

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

Билет № 8

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

Согласно соотношению запишем

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

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

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

Это соотношение называется уравнением состояния идеального газа.

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

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

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

Соотношение (25.5) называется уравнением Менделеева - Клапейрона.

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

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

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

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

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

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

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

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

График: изохора.

Билет № 9

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

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

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

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

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

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

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

Существуют различные методы определения влажности.

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

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

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

Билет № 10

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

где F_упр сила, действующая на площадку S.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Билет № 26

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

Известно, что естественная радиоактивность тяжёлых ядер сопровож­дается излучением, состоящим из трёх видов: a-, b-, g-лучи. a-лучи - это поток ядер гелия  обладающих большой энергией, которые имеют дискретные значения. b-лучи - поток электронов, энергии которых при­нимают всевозможные значения от величины, близкой к нулю до 1,3 МэВ. g-лучи — электромагнитные волны с очень малой длиной волны.

Радиоактивность широко используется в научных исследованиях и технике. Разработан метод контроля качества изделий или материалов – дефектоскопия. Гамма-дефектоскопия позволяет установить глубину залегания и правильность расположения арматуры в железобетоне, выявить раковины, пустоты или участки бетона неравномерной плотности, случаи неплотного контакта бетона с арматурой. Просвечивание сварных швов позволяет выявить различные дефекты. Просвечиванием образцов извест­ной толщины определяют плотность различных строительных материалов; плотность, достигаемую при формировании бетонных изделий или при укладке бетона в монолит, необходимо контролировать, чтобы получит заданную прочность всего сооружения. Степень уплотнения грунтов и до­рожных оснований — важный показатель качества работ. По степени по­глощения g-лучей высокой энергии можно судить о влажности материа­лов. Построены радиоактивные приборы для измерения состава газа, при­чём источником излучения в них является очень небольшое количество изотопа, дающего g-лучи. Радиоактивный сигнализатор позволяет опреде­лить наличие небольших примесей газов, образующихся при горении лю­бых материалов. Он подаёт сигнал тревоги при возникновении пожара в помещении.

2. Методы регистрации заряженных частиц. В настоящее время хорошо установлено, что ядро атома имеет слож­ную структуру и состоит из протонов и нейтронов. Из рассмотрения явле­ния радиоактивности следует, что ядра могут претерпевать существенные изменения. Всё это наводит на мысль, что нуклоны могут превращаться друг в друга и сама структура протонов, нейтронов и даже электронов мо­жет быть сложной. Встаёт вопрос о том, существуют ли какие-то кирпичики мироздания (их физики назвали элементарными частицами), из кото­рых построено всё? Ответ оказался очень сложным, и сейчас ещё на него нет окончательного ответа. В настоящее время физикам известны сотни элементарных (или, как говорят, субъядерных) частиц. Изучением их за­нимаются учёные, работающие в области физики элементарных частиц. Каким же образом можно “увидеть’, зарегистрировать столь малые объек­ты, которые недоступны никакому микроскопу? для этого разработан це­лый ряд хитроумных, весьма тонких способов, которые позволяют не только их зарегистрировать, распознать, но и увидеть их взаимные пре­вращения.

Рассмотрим только некоторые наиболее важные и широко используе­мые методы регистрации излучений. Элементарные частицы удаётся на­блюдать благодаря тем следам, которые они оставляют при своем прохож­дении через вещество. Это связано с тем, что заряженные частицы вызывают ионизацию молекул на своём пути. нейтральные частицы, такие как нейтроны, следов не оставляют, но они могут обнаружить себя в момента спада на заряженные частицы или в момент столкновения с каким – либо ядром.

1. Сцинцилляционные методы. Существует ряд веществ (бензол, нафталин, сернистый цинк с серебром и т.д.), которые дают световую вспышку (сцинцилляцию) при прохождении через них ионизирующего излучения. Эту вспышку можно зарегистрировать как просто глазом, так и соответствующим прибором, преобразующим световой сигнал в электри­ческий.

2. Счётчик Гейгера. Это устройство представляет собой стеклянную трубку, наполненную газом, в которую введены два электрода. Одни явля­ется цилиндрической поверхностью, другой тонкой проволокой, про­ходящей с одного торца к другому, по оси цилиндра. К электродам подво­дится напряжение. При пролёте через такую трубку заряженной Частицы, молекулы газа ионизируются, образовавшиеся ионы разгоняются электри­ческим полем и в свою очередь ионизируют другие молекулы, в результате чего образуется лавина ионов. В этот момент по электрической цепи, в ко­торую включена трубка, проходит ток в виде импульса. Процесс повторя­ется при каждом пролёте частицы, и электронный прибор регистрирует и считает число пролетевших частиц. Счётчик Гейгера играет весьт’4а боль­шую роль при изучении радиоактивности, радиоактивного заражения, при измерении доз, полученных в заражённых зонах.

3. Метод толстослойных фотопластин Заряженные частицы, прохо­дя через фотоэмульсию, вызывают такое же действие, как свет. Поэтому после проявления фотоматериала в эмульсии проявляется видимый след, который можно легко увидеть в микроскоп.

4. Камера Вильсона. Принцип действия камеры основан на явлении конденсации пересыщенного пара при пролёте через него заряженной час­тицы. дорожку из капелек жидкости можно сфотографировать С несколь­ких точек и получить данные о пространственном расположении траекто­рии полёта частицы. Если камеру поместить между полюсами электромаг­нита, то в результате взаимодействия частицы с полем траектории частицы будет искривляться и по этому искривлению можно определить знак заря­да частицы и её импульс.

Биологическое действие радиоактивных излучении Излучения радиоактивных веществ оказывают очень сильное воздействие на все живые организмы. Даже сравнительно слабое излучение, которое при полном поглощении повышает темпера­туру тела лишь на 0,00 1 °С, нарушает жизнедеятельность клеток.

Живая клетка — это сложный механизм, не способный про­должать нормальную деятельность даже при малых поврежде­ниях отдельных его участков. Между тем даже слабые излучения способны нанести клеткам существенные повреждения и вызвать опасные заболевания (лучевая болезнь). При большой интен­сивности излучения живые организмы погибают. Опасность излу­чений усугубляется тем, что они не вызывают никаких болевых ощущений даже при смертельных дозах.

Механизм поражающего биологические объекты действия из­лучения еще недостаточно изучен. Но ясно, что оно сводится к ионизации атомов и молекул и это приводит к изменению их химической активности. Наиболее чувствительны к излучениям ядра клеток, особенно клеток, которые быстро делятся. Поэтому в первую очередь излучения поражают костный мозг, из-за чего нарушается процесс образования крови. Далее наступает пора­жение клеток пищеварительного тракта и других органов.

Сильное влияние оказывает облучение на наследственность. В большинстве случаев это влияние является неблагоприятным.

Облучение живых организмов может оказывать и опреде­ленную пользу. Быстро размножающиеся клетки в злокачествен­ных (раковых) опухолях более чувствительны к облучению, чем нормальные. На этом основано подавление раковой опухоли g-лучами радиоактивных препаратов, которые для этой цели более эффективны, чем рентгеновские лучи.

Доза излучения. Воздействие излучений на живые организмы характеризуется дозой излучения. Поглощенной дозой излучения D называется отношение поглощенной энергии Е ионизи­рующего излучения к массе гп облучаемого вещества:

В СИ поглощенную дозу излучения выражают в г р э я х (сокращенно: Гр). Гр равен поглощенной дозе излучения, при которой облученному веществу массой 1 кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж:

Естественный фон радиации (космические лучи; радиоактив­ность окружающей среды и человеческого тела) составляет за год дозу излучения около Гр на человека. Международ­ная комиссия по радиационной защите установила для лиц, рабо­тающих с излучением, предельно допустимую за год дозу 0,05 Гр. Доза излучения в 3 – 10 Гр, полученная за короткое время, смертельна.

Защита организмов от излучения. При работе с любым источ­ником радиации (радиоактивные изотопы, реакторы и др.) необхо­димо принимать меры по радиационной защите всех людей, могущих попасть в зону действия излучения.

Самый простой метод защиты это удаление персонала от источника излучения на достаточно большое расстояние. Даже без учета поглощения в воздухе интенсивность радиации убыва­ет о пропорционально квадрату расстояния от источника. Поэтому ампулы с радиоактивными препаратами не следует брать руками. Надо пользоваться специальными щипцами с длинной ручкой.

В тех случаях, когда удаление от источника излучения на достаточно большое расстояние невозможно, используют для защиты от излучения преграды из поглощающих материалов.

Наиболее сложна защита от g-лучей и нейтронов из-за их большой проникающей способности. Лучшим поглотителем g-лу­чей является свинец. Медленные нейтроны хорошо погло­щаются бором и кадмием. Быстрые нейтроны предварительно замедляются с помощью графита.

Билет № 11

1.Работа в термодинамике. Пусть газ находится в цилиндрическом сосуде с площадью поперечного сечения S, закрытом подвижным поршнем. Нагреем газ, в результате чего его объем увеличивается. Найдем работу, совершаемую газом при его расширении. Она равна работе, которую совершает сила, действующая на поршень, при его перемещении. При движении поршня в общем случае давление газа и сила F, приложенная к поршню, изменяются. Поэтому рассмотрим случай расширения газа, когда его давление остаётся постоянным. Предположим, что поршень переместился на расстояние l. Механическая работа А находится по формуле так как угол  между силой и перемещением равен нулю и cosa = 1. Модуль силы F находим через давление Р, которое оказывает газ на пор­шень: . С учётом этого получаем А = PSl. Но DV= Sl — изменение объёма газа. Итак,

2. Внутренняя энергия. Одним из важнейших понятий термодинамики является внутренняя энергия. Внутренней энергией термодинамической системы называют сумму кинетической и потенциальной энергии всех частиц, входящих в неё. Следовательно, внутренняя энергия состоит из кинетической энергии молекул (атомов) и потенциальной энергии электронов в молекулах (атомах) и из внутриядерной энергии. Необходимо отметить, что термодинамика изучает лишь такие переходы термодинамической системы из одного состояния в другое, при которых изменяются только кинетическая и потенциальная энергия молекул (или атомов), из которых она состоит. Внутренняя энергия однозначно определяется параметрами состояния и не зависит от пути перехода в это состояние. Выбор состояния системы, в котором внутренняя энергия принимается равной нулю, произволен. Обычно счи­тают, что внутренняя энергия равна нулю при температуре 0 К.

2. В качестве примера найдём внутреннюю энергию идеального одноатомного газа, т.е. газа состоящего из атомов. Такими газами являются ге­лий, неон, аргон и другие. В идеальном газе притяжение между молекула­ми отсутствует. Поэтому их потенциальная энергия равна нулю. Тогда внутренняя энергия этого газа будет складываться только из кинетических энергий отдельных молекул. Вычислим сначала внутреннюю энергию од­ного моля газа. Известно, что число молекул, наход5пцвхся в одном моле вещества, равно числу Авогадро NA. Согласно (24.1), средняя кинетиче­ская энергия молекулы находится по формуле <e_k> = (3/2) kТ. Следователь­но, внутренняя энергия Um одного моля идеального газа равна

так как— универсальная газовая постоянная. Внутренняя энергия U произвольной массы газа m будет равна внутренней энергии одного моля, умноженной на число молей, где m - молярная масса газа, т.е.

Таким образом, внутренняя энергия данной массы идеального газа за­висит только от температуры и не зависит от объёма и давления.

3. Первый закон термодинамики. Внутренняя энергия термодинамической системы под воздействием ряда внешних факторов меняется, о чём, как видно из (27.2), можно судить по изменению температуры этой системы. Например, когда быстро сжать газ, то его температура повышается. Если привести в контакт два тела, имеющих разные температуры, то температура более холодного тела по­вышается, а более нагретого понижается. В первом случае внутренняя энергия изменяется за счёт работы внешних сил, во втором происходит обмен кинетическими энергиями молекул, в результате чего суммарная кинетическая энергия молекул нагретого тела уменьшается, а менее нагре­того - возрастает. Это приводит к передаче энергии от горячего тела к холодному без совершения механической работы. Процесс передачи энерг­ии от одного тела к другому без совершения механической работы получило название теплопередачи или теплообмен,. Передача энергии между телами, имеющими разные температуры, характеризуется величиной, на­зываемой количеством теплоты или теплотой. Количество теплоты - это энергия, переданная путём теплообмена от одной термодинамиче­ской системы к другой вследствие разности температур этих систем.

Рассмотрение понятия внутренней энергии и количества теплоты ис­пользуется в формулировке первого закона термодинамики, играющего первостепенную роль при изучении различного рода термодинамических процессов.

В природе существует закон сохранения и превращения энергии, со­гласно которому энергия не исчезает и не возникает вновь, а лишь перехо­дит из одного вида в другой. Этот закон применительно к тепловым про­цессам получил название первого закона термодинамики. Отметим, что тепловыми процессами называют процессы, связанные с изменением температуры термодинамической системы, а также с изменением агрегатного состояния вещества. Если термодинамической системе сообщить некоторое количество теплоты Q, т.е. некоторую энергию, то за счёт этой энергии в общем случае происходит изменение её внутренней энергии DU и система, расширяясь, совершает определённую механическую работу А. Очевидно, что, согласно закону сохранения энергии, должно выполняться равенство:

т.е. количество теплоты, сообщённое термодинамической системе, расходуется на изменение её внутренней энергии и на совершение сис­темой механической работы при её расширении. Соотношение называют первым законом термодинамики.

Первый закон термодинамики обладает большой общностью и универ­сальностью и может применяться для описания широкого круга явлений.

 

Применение первого закона термодинамики к различным процессам.

1. Изохорический процесс. Поскольку при изохорическом процессе V = const, то изменение объёма DV= 0, и работа газа , т.е. при этом процессе газ не совершает механической работы. Тогда первый закон термодинамики запишется

т.е. при изохорическом процессе количество теплоты, сообщённое газу, полностью расходуется на изменение его внутренней энергии.

Количество теплоты, переданное или отданное термодинамической системе, определяется через теплоёмкость системы. Теплоёмкость - это физическая величина, равная количеству теплоты, которое необходимо сообщить для нагревания системы на один градус. Очевидно, что теплоемкость системы зависит от её массы. Чем она больше, тем больше тепло­ёмкость. Поэтому вводят понятие удельной теплоёмкости. Удельная теплоемкость с равна количеству теплоты, которое надо сообщить единице массы вещества для повышения температуры один градус. Количество теплоты Q, которое необходимо сообщить телу массой т для повышения его температуры от Т₁ до Т₂ находится по формуле

Q=mс(Т₂—Т₁)

Тогда изменение внутренней энергии тела (термодинамической системы) DU, учитывая , равно

2. Изотермический процесс. Запишем первый закон термодинамики для данного процесса. Внутренняя энергия идеального газа за­висит только от температуры. При изотермическом процессе температура постоянна. Поэтому и внутренняя энергия постоянна (U = const) и, следовательно DU = 0. Тогда первый закон термодинамики принимает вид

т.е. количество теплоты, сообщённое газу при изотермическом процессе. полностью превращается в работу, совершаемую газом.

Выясним условия, необходимые для проведения такого процесса. При изотермическом расширении к газу необходимо непрерывно подводить теплоту, чтобы компенсировать уменьшение внутренней энергии, проис­ходящее вследствие совершения газом работы против внешних сил. И, на­оборот, при изотермическом сжатии надо непрерывно отбирать теплоту, чтобы внутренняя энергия, а следовательно, и температура оставались по­стоянными. Из этого следует, что изотермический процесс необходимо проводить очень медленно, так как в этом случае температура газа будет успевать выравниваться с температурой окружающей среды.

3. Изобарический процесс. Поскольку при данном процессе происхо­дит изменение температуры и объёма газа, то первый закон термодинамики записывается так же, как и в общем случае.

4. Адиабатический процесс. Процесс, протекающий в термодинамической системе без теплообмена с окружающей средой, называется адиа­батическим (адиабатным). Для практического осуществления такого процесса газ помещают в сосуд с теплоизоляционными стенками. По­скольку любой материал в той или иной степени проводит теплоту, то вся­кий процесс отличается от адиабатического процесса. Хорошим прибли­жением к адиабатическому процессу являются быстро протекающие про­цессы. Кратковременность процесса приводит к тому, что система не ус­певает обменяться теплотой с окружающей средой.

При адиабатическом процессе газ не отдаёт и не получает количество теплоты, т.е. Q = 0. Тогда первый закон термодинамики запишется

или

т.е. работа, совершаемая газом при адиабатическом процессе, произво­дится только за счёт изменения его внутренней энергии. Выясним, как изменяется температура газа при этом процессе. При адиабатном расширении DV = V₂ — V₁ > 0, где V₁ и V₂ — начальный и конечный объём газа. Поэтому А = PDV > 0. Из формулы следует, что в этом случае DU < 0. Следовательно, внутренняя энергия газа уменьшается и темпера­тура понижается. Если же газ сжимается, то А < 0 и DU > 0, а его темпера­тура повышается. Этим объясняется, например, нагревание воздуха в ци­линдре дизельного двигателя при его сжатии.

Билет № 12

Электростатика — это раздел электродинамики, изучающий свойства неподвижных зарядов, их взаимодействия друг с другом посредством по­лей, называемых электростатическими. Условие неподвижности заря­дов в той системе отсчёта, в которой они изучаются, является весьма важ­ным, так как в случае движущихся зарядов свойства окружающего про­странства кардинально меняются и, в частности, появляется магнитное по­ле.

1. Известно, что разнородные тела такие, как кожа, стекло, эбонит и т.д., потёртые друг о друга, обладают свойством притягивать к себе лёгкие предметы, например, кусочки бумаги. Для объяснения такого взаимодей­ствия, названного электрическим, и было введено понятие электрического заряда. Заряженные тела могут как притягиваться, так и отталкиваться друг от друга. Этот факт удаётся объяснить, если ввести два типа заряда, условно названных положительными и отрицательными (плюс и минус). Как следует из опыта, заряды с одинаковыми знаками отталкиваются, а с разными — притягиваются. Сила взаимодействия заряженных тел может быть различной. Это зависит от величины зарядов, находящихся на них.

Из этого можно сделать вывод: электрический заряд является количе­ственной мерой способности тел к электрическим взаимодействиям.

Заряд тела не зависит от выбора системы отсчёта, т.е. не зависит от то­го, движется или покоится тело, на котором он находится. В системе еди­ниц СИ заряд измеряется в кулонах (Кл). 1 Кулон равен заряду, протекающе­му через поперечное сечение проводника за 1 с при силе постоянного тока в 1А.

2. Возникновение зарядов на телах обусловлено следующим. Все тела построены из атомов. Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Заряд ядра обусловлен протонами. Заряды протона и электрона равны по абсолютной величине, но противо­положим по знаку. Число протонов и электронов в атоме одинаково. По­этому атом в целом нейтрален, т.е. алгебраическая сумма зарядов атома(сумма зарядов с учетом знаков) равна нулю, а следовательно, и тело ней­трально. Чтобы зарядить тела, т.е. наэлектризовать их, надо отделить часть отрицательного заряда от связанного с ним положительного заряда. Это осуществляется различными способами: трением тел друг о друга, элек­тростатической индукцией и т.д. Тело, на котором оказыва­ется избыток электронов по сравнению с протонами, заряжается отрица­тельно, если наоборот — положительно Например, при электризации трением небольшая часть электронов с одного тела переходит на другое. Если теперь раздвинуть тела, то они окажутся заряженными — одно положительно, другое - отрицательно

3. Из обобщения опытных данных установлен закон сохранения электрического заряда: в любой замкнутой электрической системе алгебраическая сумма электрических зарядов является постоянной величиной при любых процессах, происходящих в ней.

Замкнутой называется электрическая система, из которой не выходят и в которую не входят заряды. Так, при электризации тел трением заряды, возникающие на телах, равны по абсолютной величине, но противоположны по знаку. Поэтому их алгебраическая сумма также равна нулю, как и в случае не заряженных тел.

4. В общем случае сила взаимодействия между заряженными телами зависит от Размеров и формы Тел, а также от свойств среды, н которой на­ходятся тела. Наиболее просто сила взаимодействия находится для так на­зываемых точечных зарядов. Точечным зарядом называется заряженное тело, размеры которого пренебрежимо малы по сравнению с расстояни­ем до других заряженных тел, с которыми оно взаимодействует. Законы взаимодействия точечных зарядов был открыт Кулоном и формулируется следующим образом: модуль Fv силы взаимодействия между двумя не­подвижными точечными зарядами q и q₀, находящимися в вакууме, пропорционален произведению этих зарядов, обратно пропорционален квадрату расстояния r между ними, т.е.

где  — электрическая постоянная. Эта сила направлена вдоль прямой линии, соединяющей заряды. Электрическая постоянная равна  или , где фарад (Ф) – единица электроёмкости.

Билет № 13

1. Уединённые проводники обладают крайне малой электроёмкостью. Например, ёмкость Земли всего лишь примерно 0,7 мФ. Однако во многих электронных приборах используются устройства, называемые конденсато­рами, в которых накапливаются достаточно большие заряды. Конденсато­ры представляют собой два проводника, близко расположенных друг к другу и разделённых слоем диэлектрика. Если этим проводникам (обкладкам) сообщить одинаковые по величине, но противоположные по знаку заряды, то электрическое поле, возникающее между ними, будет практически полностью сосредоточено внутри конденсатора. Поэтому электроёмкость конденсатора мало зависит от расположения окружающих его тел.

Если сообщать конденсатору различные заряды, то и разность потен­циалов между его обкладками будет различной. (Под зарядом конденсато­ра понимается заряд на одной из его обкладок по абсолютной величине). Однако отношение заряда q, находящегося на конденсаторе, к разности потенциалов, возникающую между его обкладками, остаётся по­стоянным независимо от величины заряда. Поэтому это отношение при­нимают за характеристику способности конденсатора накапливать на себе заряды. Её по аналогии с проводником называют электроёмкостью (или ёмкостью) конденсатора и обозначают той же буквой С. Итак,

т.е. емкостью конденсатора называется физическая величина равная от­ношению заряда конденсатора к разности потенциалов между его об­кладками.

Емкость конденсатора не зависит от величины заряда и разности по­тенциалов между его обкладками и определяется только размерами и фор­мой обкладок конденсатора, а также диэлектрическими свойствами веще­ства, заполняющего его. Емкость конденсатора, как и ём­кость проводника, измеряется в фарадах (Ф): 1 Ф — это ёмкость такого конденсатора, при сообщении которому заряда в 1 Кл , разность потенциалов между его обклад­ками изменяется на 1 В.

2.Емкость плоского конденсатора. Рассмотрим пло­ский конденсатор, заполненный однородным изотропным диэлектриком с диэлектрической проницаемостью e, у ко­торого площадь каждой обкладки S и расстояние между ними d. Емкость такого конденсатора находится по формуле:

Из этого следует, что для изготовления конденсаторов большой ёмкости надо увеличить площадь обкладок и уменьшать расстояние между ними.

Энергия W заряженного конденсатор:  или

Конденсаторы применяются для накопления электроэнергии и использования её при быстром разряде (фотовспышка), для разделения цепей постоянного и переменного токов, в выпрямителях, колебательных контурах и других радио-электронных устройствах. В зависимости от типа диэлектрика конденсаторы бывают воздушные, бумажные, слюдяные.

Билет № 14

1. Работой электрического тока называется работа, которую совер­шают силы электрического поля, созданного в электрической цепи, по перемещении заряда по этой цепи. Пусть к концам проводника приложена разность потенциалов (напряжение)  Тогда работа А, совершаемая электростатическим полем по переносу заряда q за некоторое время 4 равна . Величину протекшего заряда можно найти, используя силу тока I: q = It С учётом этого по­лучаем

Применяя закон Ома для однородного участка цепи U = IR, где R — со­противление проводника, выражение запишем в виде