- •Введение Физика как наука. Содержание и структура физики
- •I Механика
- •1.1 Кинематика материальной точки
- •1.1.1 Понятие материальной точки. Система отсчета. Траектория, путь, перемещение Единицы измерения
- •1.1.2 Скорость и ускорение произвольно движущейся точки
- •1.1.3 Кинематика прямолинейного движения
- •1.1.4 Движение точки по окружности. Связь между линейными и угловыми кинематическими параметрами
- •1.1.5 Колебательное движение. Виды гармонических колебаний
- •1.1.6 Сложение гармонических колебаний
- •1.2 Динамика материальной точки
- •1.2.1 Законы Ньютона. Масса, сила. Закон сохранения импульса, реактивное движение
- •1.2.2 Силы в механике
- •1.2.3 Работа сил в механике, энергия. Закон сохранения энергии в механике
- •1.3 Динамика вращательного движения твердых тел
- •1.3.1 Момент силы, момент импульса. Закон сохранения момента импульса
- •1.3.2 Кинетическая энергия вращательного движения. Момент инерции
- •II Раздел молекулярная физика и термодинамика
- •2.1 Основные положения молекулярно-кинетической теории газов
- •2.1.1 Агрегатные состояния вещества и их признаки. Методы описания физических свойств вещества
- •2.1.2 Идеальный газ. Давление и температура газа. Шкала температур
- •2.1.3 Законы идеального газа
- •2.2 Распределение Максвелла и Больцмана
- •2.2.1 Скорости газовых молекул
- •2.3. Первое начало термодинамики
- •2.3.1 Работа и энергия в тепловых процессах. Первое начало термодинамики
- •2.3.2 Теплоемкость газа. Применение первого начала термодинамики к изопроцессам
- •2.4. Второе начало термодинамики
- •2.4.1. Работа тепловых машин. Цикл Карно
- •2.4.2 Второе начало термодинамики. Энтропия
- •2.5 Реальные газы
- •2.5.1 Уравнение Ван-дер-Ваальса. Изотермы реального газа
- •2.5.2 Внутренняя энергия реального газа. Эффект Джоуля—Томсона
- •III Электричество и магнетизм
- •3.1 Электростатика
- •3.1.1 Электрические заряды. Закон Кулона
- •3.1.2 Напряженность электрического поля. Поток линий вектора напряженности
- •3.1.3 Теорема Остроградского — Гаусса и его применение для расчета полей
- •3.1.4 Потенциал электростатического поля. Работа и энергия заряда в электрическом поле
- •3.2 Электрическое поле в диэлектриках
- •3.2.1 Электроемкость проводников, конденсаторы
- •3.2.2 Диэлектрики. Свободные и связанные заряды, поляризация
- •3.2.3 Вектор электростатической индукции. Сегнетоэлектрики
- •3.3 Энергия электростатического поля
- •3.3.1 Электрический ток. Законы Ома для постоянного тока
- •3.3.2 Разветвленные цепи. Правила Кирхгофа. Работа и мощность постоянного тока
- •3.4 Магнитное поле
- •3.4.1 Магнитное поле. Закон Ампера. Взаимодействие параллельных токов
- •3.4.2 Циркуляция вектора индукции магнитного поля. Закон полного тока.
- •3.4.3 Закон Био—Савара—Лапласа. Магнитное поле прямого тока
- •3.4.4 Сила Лоренца Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях
- •3.4.5 Определение удельного заряда электрона. Ускорители заряженных частиц
- •3.5 Магнитные свойства вещества
- •3.5.1 Магнетики. Магнитные свойства веществ
- •3.5.2 Постоянные магниты
- •3.6 Электромагнитная индукция
- •3.6.1 Явления электромагнитной индукции. Закон Фарадея. Токи Фуко
- •3.6.2 Ток смещения. Вихревое электрическое поле Уравнения Максвелла
- •3.6.3 Энергия магнитного поля токов
- •IV Оптика и основы ядерной физики
- •4.1. Фотометрия
- •4.1.1 Основные фотометрические понятия. Единицы измерений световых величин
- •4.1.2 Функция видности. Связь между светотехническими и энергетическими величинами
- •4.1.3 Методы измерения световых величин
- •4.2 Интерференция света
- •4.2.1 Способы наблюдения интерференции света
- •4.2.2 Интерференция света в тонких пленках
- •4.2.3 Интерференционные приборы, геометрические измерения
- •4.3 Дифракция света
- •4.3.1 Принцип Гюйгенса—Френеля. Метод зон Френеля. Зонная пластинка
- •4.3.2 Графическое вычисление результирующей амплитуды. Применение метода Френеля к простейшим дифракционным явлениям
- •4.3.3 Дифракция в параллельных лучах
- •4.3.4 Фазовые решетки
- •4.3.5 Дифракция рентгеновских лучей. Экспериментальные методы наблюдения дифракции рентгеновских лучей. Определение длины волны рентгеновских лучей
- •4.4 Основы кристаллооптики
- •4.4.1 Описание основных экспериментов. Двойное лучепреломление
- •4.4.2 Поляризация света. Закон Малюса
- •4.4.3 Оптические свойства одноосных кристаллов. Интерференция поляризованных лучей
- •4.5 Виды излучения
- •4.5.1 Основные законы теплового излучения. Абсолютно черное тело. Пирометрия
- •4.5.2 Источники света
- •4.6 Действие света
- •4.6.1 Фотоэлектрический эффект. Законы внешнего фотоэффекта
- •4.6.2 Эффект Комптона
- •4.6.3 Давление света. Опыты Лебедева
- •4.6.4 Фотохимическое действие света. Основные фотохимические законы. Основы фотографии
- •4.7 Развитие квантовых представлений об атоме
- •4.7.1 Опыты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц. Планетарно-ядерная модель атома
- •4.7.2 Спектр атомов водорода. Постулаты Бора
- •4.7.3 Корпускулярно-волновой дуализм. Волны де Бройля
- •4.7.4 Волновая функция. Соотношение неопределенности Гейзенберга
- •4.8 Физика атомного ядра
- •4.8.1 Строение ядра. Энергия связи атомного ядра. Ядерные силы
- •4.8.2 Радиоактивность. Закон радиоактивного распада
- •4.8.3 Радиоактивные излучения
- •4.8.4 Правила смещения и радиоактивные ряды
- •4.8.5 Экспериментальные методы ядерной физики. Методы регистрации частиц
- •4.8.6 Физика элементарных частиц
- •4.8.7 Космические лучи. Мезоны и гипероны. Классификация элементарных частиц
- •Содержание
2.4. Второе начало термодинамики
2.4.1. Работа тепловых машин. Цикл Карно
Процессы в системе бывают обратимые и необратимые. Термодинамический процесс называется обратимым, если он может происходить как в прямом, так и в обратном направлении. Если такой процесс происходит сначала в прямом, а затем в обратном направлении и система возвращается в исходное состояние, то в окружающей среде и в этой системе не происходит никаких изменений. Всякий процесс, не удовлетворяющий этим условиям, является необратимым.
Круговым процессом (или циклом) называется процесс, при котором система, пройдя через ряд состояний, возвращается в исходное. На диаграмме процессов цикл изображается замкнутой кривой (рис 84.) Цикл, совершаемый идеальным газом, можно разбить на процессы расширения (1—2) и сжатия (2—1) газа. Работа расширения (определяется площадью фигуры la2V2V1l) положительна (dV>0), работа сжатия (определяется площадью фигуры 2blV1V22) отрицательна (dV<0). Следовательно, работа, совершаемая газом за цикл, определяется площадью, охватываемой замкнутой кривой. Если за цикл совершается положительная работа (цикл протекает по часовой стрелке), то он называется прямым (рисунок - 2.26,а), если за цикл совершается отрицательная работа (цикл протекает против часовой стрелки), то он называется обратным (рисунок - 2.26,6).
Прямой цикл используется в тепловых машинах, совершающих механическую работу за счет полученной извне теплоты. Обратный цикл используется в холодильных машинах, где за счет работы внешних сил теплота переносится к телу с более высокой температурой. В результате кругового процесса система возвращается в исходное состояние и, следовательно, полное изменение внутренней энергии газа равно нулю. Поэтому первое начало термодинамики для кругового процесса
Q=∆U+A=A, |
(2.60), |
т.е. работа, совершаемая за цикл, равна количеству полученной извне теплоты. Однако в результате кругового процесса где Q1- количество теплоты, полученное системой, Q2 - количество теплоты, отданное системой. Поэтому термический коэффициент полезного действия для кругового процесса
η = A/ Q1 = (Q1 - Q2)/ Q1 = 1- Q2/Q1 |
(2.61). |
Тепловая машина, кроме тела с высокой температурой Ti (нагреватель), за счет внутренней энергии которого будет совершаться работа, и холодильника с температурой Т2, служащего для отвода части теплоты, должна иметь еще «рабочее тело». Действие тепловой машины происходит по следующей схеме. От теплового резервуара (нагревателя с температурой T1) теплота передается рабочему телу и частично преобразуется последним в работу; частично же теплота от рабочего тела передается холодильнику (с температурой Т2), а рабочее тело возвращается в исходное состояние. В соответствии с первым началом термодинамики необходимо, чтобы выполнялось равенство dQ1=dA+dQ2 . Работа за один цикл зависит от его формы и измеряется площадью, охваченной кривой, описывающей процесс.
Если ввести коэффициент полезного действия такой машины как отношение η = dA/dQ1 , то нетрудно получить следующее выражение для КПД идеальной машины:
η = dA/dQ1 dA/dQ1 = 1- dQ2/dQ1; η = 1- dQ2/dQ1; |
|
или
η = 1- Т2/Т1 = (Т1- Т2)/Т1 |
(2.62). |
Итак, КПД идеальной машины определяется только температурами нагревателя и холодильника. Мощность тепловой машины определяется произведением работы, совершаемой за один цикл, на число циклов, происходящих за 1 с. Одной из возможных схем действия такой машины является работа по так называемому циклу Карно, впервые рассмотренному Сади Карно (1796—1832). На рисунке - 2.27 представлен цикл тепловой машины, работающей по циклу Карно. Он состоит из двух адиабат и двух изотерм. Работа, совершаемая рабочим телом за цикл, положительна. При переводе системы из состояния 1 в состояние 2 нагреватель отдает рабочему телу количество теплоты Q1 при температуре Т1, а при переводе системы из состояния 3 в состояние 4 рабочее тело передает холодильнику количество теплоты Q2 при температуре Т2.
Рассмотрим более подробно работу идеальной машины Карно, в которой рабочим телом служит идеальный газ, взятый в количестве 1 моль. На участке 1, 2 рабочее тело находится в контакте с
Рисунок - 2.26 |
Рисунок - 2.27 |
нагревателем. Происходит изотермическое расширение газа от объема V1 до объема V2. Количество теплоты, переданное газу на этом участке, равно:
Q1 =RT1* ln(V2/ V1) |
(2.63). |
Эта теплота полностью переходит в работу расширения. На участке 3, 4 газ изотермически сжимают при температуре Т2. При этом сжатии холодильнику отдается количество теплоты, равное:
Q2 =RT2* ln(V3/V4). |
(2.64). |
Адиабатическим сжатием на участке 4, 1 рабочее тело приводят в исходное состояние. Так как внутренняя энергия рабочего тела за цикл не меняется, то алгебраическая сумма количеств теплоты, переданных газу, и работы, совершенной при его расширении и сжатии, должна быть равна нулю. На адиабатных участках работы расширения и сжатия газа взаимно компенсирую друг друга, так как процесс идет между двумя изотермами с температурами T1 и T2. Поэтому работа, совершаемая газом при изотермических процессах, является полезной работой; она равна:
A = Q1- Q2 |
(2.65) |
или с учетом выражений для Q1 и Q2:
A= RT1* ln(V2/ V1)— RT2* ln(V3/V4) |
(2.66). |
Зная выражение для полезной работы, нетрудно найти КПД машины, работающей по циклу Карно:
η = A/ Q1 = [T1* ln(V2/ V1)— T2* ln(V3/V4)]/ T1* ln(V2/ V1) |
(2.67). |
Из уравнений Пуассона, описывающих процессы 1, 4 и 2, 3, нетрудно найти связь между объемами:
(2.68). |
Поэтому для КПД машины получаем:
η = (T1 - T2)/T1 |
(2.69), |
т. е. КПД обратимого цикла Карно равен КПД идеальной тепловой машины и является наибольшим возможным в заданном интервале температур (Т1,Т2).
Кроме тепловых машин, в технике и быту широкое распространение получили холодильные, машины — устройства, в которых за счет внешней механической работы теплота передается от тела с меньшей температурой телу с более высокой температурой. Идеальной холодильной машиной может служить машина Карно, работающая по обращенному циклу. В обращенном цикле Карно рабочее тело проходит те же промежуточные состояния, что и в прямом цикле, только в обратном направлении. Результатом обращенного цикла Карно будет перенос теплоты от холодного тела к более нагретому за счет совершения работы внешними телами.
КПД идеального цикла Карно не зависит от рода рабочего тела (теорем Карно). Это можно доказать с помощью следующего мысленного эксперимента. Представим себе, что одна из машин Карно (с идеальным газом) работает по прямому циклу Карно и приводит в действие вторую машину, где рабочим телом служит какое-либо вещество, не являющееся идеальным газом. При этом обе машины работают с одними и теми же резервуарами теплоты (с температурами Т1 и Т2). Пусть КПД первой машины есть η1, а второй (при прямом цикле) — η2.
Совершая прямой цикл, первая машина получает из резервуара 1 количество теплоты Q1 и отдает резервуару 2 количество теплоты Q2. Работа машины A=Q1—Q2 затрачивается на приведение в действие второй машины. Вторая машина, совершая обратный цикл, отдаст резервуару 1 количество теплоты Q1, а у резервуара 2 отнимет количество теплоты Q2. Если КПД машин неодинаков (например, η1<η2), то Q11≠Q1. Сделав частоты циклов n1 и п1' различными {всегда между машинами можно поставить редуктор, меняющий число их оборотов в единицу времени), можно добиться, например, равенства: п1' Q11 = n1 Q1. При этом резервуар 1 не претерпит никаких изменений. Но в резервуаре 2 произойдут изменения: первая машина отдаст ему количество теплоты n1Q2,. а вторая заберет количество теплоты п1'Q21 которое отлично от n1Q2, так как не равны КПД машин. Следовательно, наша система, не получая теплоты извне, совершит работу за счет отнятия теплоты от резервуара 2, что противоречит законам термодинамики.
Предположив, что η1<η2. мы поменяем роли машин и придем к такому же невозможному результату. Следовательно, остается допустить, что оба КПД одинаковы и КПД идеального цикла Карно не зависит от рода рабочего тела.