Кипение. Критическая температура

1. Испарение — парообразование, происходящее при любой температуре со свободной поверхности жидкости. Неравномерное распределение кинети­ческой энергии теплового движения молекул приво­дит к тому, что при любой температуре кинетическая энергия некоторых молекул жидкости или твердого тела может превышать потенциальную энергию их связи с другими молекулами. Большей кинетической энергией обладают молекулы, имеющие большую скорость, а температура тела зависит от скорости движения его молекул, следовательно, испарение со­провождается охлаждением жидкости. Скорость ис­парения зависит: от площади открытой поверхности, температуры, концентрации молекул вблизи жид­кости. Конденсация — процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое. Испарение жидкости в закрытом сосуде при неизменной температуре приводит к постепенному увеличению концентрации молекул испаряющегося вещества в газообразном состоянии. Через некоторое время после начала испарения концентрация вещест­ва в газообразном состоянии достигнет такого значе­ния, при котором число молекул, возвращающихся в жидкость, становится равным числу молекул, поки­дающих жидкость за то же время. Устанавливается динамическое равновесие между процессами испа­рения и конденсации вещества. Вещество в газооб­разном состоянии, находящееся в динамическом равновесии с жидкостью, называют насыщенным паром. (Паром называют совокупность молекул, по­кинувших жидкость в процессе испарения.) Пар, на­ходящийся при давлении ниже насыщенного, назы­вают ненасыщенным.

Вследствие постоянного испарения воды с по­верхностей водоемов, почвы и растительного покрова, а также дыхания человека и животных в атмосфере всегда содержится водяной пар. Поэтому атмосфер­ное давление представляет собой сумму давления су­хого воздуха и находящегося в нем водяного пара. Давление водяного пара будет максимальным при насыщении воздуха паром. Насыщенный пар в отли­чие от ненасыщенного не подчиняется законам иде­ального газа. Так, давление насыщенного пара не за­висит от объема, но зависит от температуры. Эта зависимость не может быть выражена простой форму­лой, поэтому на основе экспериментального изучения зависимости давления насыщенного пара от темпера­туры составлены таблицы, по которым можно опре­делить его давление при различных температурах. Давление водяного пара, находящегося в воз­духе при данной температуре, называют абсолютной влажностью, или упругостью водяного пара. По­скольку давление пара пропорционально концентра­ции молекул, можно определить абсолютную влаж­ность как плотность водяного пара, находящегося в воздухе при данной температуре, выраженную в ки­лограммах на метр кубический (р). Большинство явлений, наблюдаемых в приро­де, например быстрота испарения, высыхание раз­личных веществ, увядание растений, зависит не от количества водяного пара в воздухе, а от того, на­сколько это количество близко к насыщению, т. е. от относительной влажности, которая характеризует степень насыщения воздуха водяным паром.

При низкой температуре и высокой влажности повышается теплопередача и человек подвергается переохлаждению. При высоких температурах и влажности теплопередача, наоборот, резко сокра­щается, что ведет к перегреванию организма. Наибо­лее благоприятной для человека в средних климати­ческих широтах является относительная влажность 40—60%. Относительной влажностью называют от­ношение плотности водяного пара (или давления), находящегося в воздухе при данной температуре, к плотности (или давлению) водяного пара при той же температуре, выраженное в процентах, т. е. = р/р₀ • 100%, или (р = р/р₀ • 100%. Относительная влажность колеблется в широ­ких пределах. Причем суточный ход относительной влажности обратен суточному ходу температуры. Днем, с возрастанием температуры, и следовательно, с ростом давления насыщения относительная влаж­ность убывает, а ночью возрастает. Одно и то же ко­личество водяного пара может либо насыщать, либо не насыщать воздух. Понижая температуру воздуха, можно довести находящийся в нем пар до насыще­ния. Точкой росы называют температуру, при кото­рой пар, находящийся в воздухе, становится насы­щенным. При достижении точки росы в воздухе или на предметах, с которыми он соприкасается, начи­нается конденсация водяного пара. Для определения влажности воздуха используются приборы, которые называются гигрометрами и психрометрами.

При кипении по всему объему жидкости образуются быстро растущие пузырьки пара, которые всплывают на поверхность. Температура кипения жидкости остается постоянной. Это происходит потому, что вся подводимая к жидкости энергия расходуется на превращение ее в пар. В жидкости всегда присутствуют растворенные газы, которые выделяются на дне и стенках сосуда, а так же на взвешенных в жидкости пылинках. Пары жидкости, которые находятся внутри пузырьков, являются ненасыщенными. С увеличением температуры давление насыщенных паров возрастает и пузырьки увеличиваются в размерах. Под действием выталкивающей силы они всплывают. Если верхние слои жидкости имеют более низкую температуру, то в этих слоях происходит конденсация пара в пузырьках. Давление стремительно падает и пузырьки захлопываются. Захлопывание происходит настолько быстро, сто стенки пузырька, сталкиваясь, производят нечто вроде взрыва. Когда жидкость достаточно прогреется, пузырьки перестанут захлопываться и всплывут на поверхность. Жидкость закипит. Зависимость давления насыщенного пара от температуры объясняет, почему температура кипения жидкости зависти от давления на ее поверхность. Кипение начинается при температуре, при которой давление насыщенного пара в пузырьках сравнивается с давлением в жидкости. Чем больше внешнее давление, тем выше температура кипения. У каждой жидкости своя температура кипения, которая зависит от давления насыщенного пара. Чем выше давление насыщенного пара, тем ниже температура кипения. Критическая температура – это температура, при которой исчезают различия в физических свойствах между жидкостью и ее насыщенным паром. При критической температуре плотность и давление насыщенного пара становятся максимальными, а плотность жидкости, находящейся в равновесии с паром, - минимальной. Особое значение критической температуры состоит в том, что при температуре выше критической ни при каких давлениях газа нельзя обратить в жидкость. Газ, имеющий температуру ниже критической, представляет собой ненасыщенный пар.

2.. В однородной среде свет распространяется прямолинейно. Об этом свиде­тельствуют резкие тени, отбрасываемые непрозрачными предметами при освещении их точечными источниками света.

 

угол падения равен углу отражения. При переходе из одной среды в другую преломляются и подчиня­ются закону преломления волн: отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть вели­чина постоянная для двух данных сред и равная отношению скорости электромагнитных волн в первой среде к скорости электромагнитных волн во второй среде и называется показателем преломле­ния второй среды относительно первой.

2. Линзой называется прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями.

Тонкой, если ее толщина мала по сравнению с радиусами кривизны ее поверхностей, в противном случае – толстой.

Оптическая сила – это величина, обратная фокусному расстоянию

D=1/F

Измеряется в диоптриях. 1 диоптрий – это оптическая сила такой линзы, фокусное расстояние которой 1 м.

 

Билет №2

Равноускоренным называется движение с ускорением, постоянным по модулю и направлению. Скорость при равноускоренном движении вычисляется как .

Отсюда формула для пути при равноускоренном движении выводится как:

 

Также справедливы формулы , выводимая из уравнений скорости и пути при равноускоренном движении.

П ри равномерном прямолинейном движении с постоянной скоростью U вектор скорости в каждой точке направлен вдоль траектории.

С редняя скорость и численное значение мгновенной – равны, при таком движении ускорение а остается величиной постоянной, причем нормальная составляющая равна 0.

Если направление ускорения совпадает с направлением скорости, то движение называется - равноускоренным, а если не совпадает – то, равнозамедленным.

· Прямолинейное движение, при котором скорость тела за любые равные промежутки времени изменяется на одинаковую величину, называется равноускоренным прямолинейным движением.

О нологично для равнозамедленного движения с ускорением а<0, знак учитывается в формуле (x).

 

2. Явление электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического тока в замкнутом электропроводящем контуре при изменении магнитного потока через площадь этого контура. По правилу Ленца, возникающий в замкнутом контуре индукционный ток направлен так, что создаваемый им магнитный поток через площадь, ограниченную контуром, стремиться препятствовать тому изменению потока, которое вызывает данный ток. Явление ЭИ находит широкое применение в технике. Оно используется в индукционных генераторах тока, индукционных плавильных печах, трансформаторах, в счетчиках электроэнергии и др

Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца Мы знаем, что электрический ток создаёт магнитное поле. Естественно возникает вопрос: «Возможно ли появление электрического тока с помощью магнитного поля?». Эту проблему решил Фарадей, открывший явление электромагнитной индукции, которое за­ключается в следующем: при всяком изменении Магнитного потока, пронизывающего площадь, охватываемую проводящим контуром, в нём возникает электродвижущая сила, называемая э.д.с. индукции. Если контур замкнут, то под действием этой э.д.с. появляется электрический ток, названный индукционньм. Фарадей установил, что э.д.с. индукции не зависит от способа изменения магнитного потока и определяется только быстротой его изменения, т.е.

, ЭДС может возникать при изменении магнитной индукции В, при повороте плоскости контура, относительно магнитного поля. Знак минус в формуле объясняется по Правилу Ленца: Индуктивный ток направлен так, что своим магнитным полем препятствует изменению внешнего магнитного потока, порождающего индукционный ток. Соотношение называется законом электромагнитной индукции: ЭДС индукции в проводнике равна быстроте изменения магнитного потока, пронизывающего площадь, охватываемую проводником.

Явление самоиндукции. Явление возникновения э.д.с. в том же проводнике, по которому течёт переменный ток, называется самоин­дукцией, а саму э.д.с. называют э.д.с. самоиндукции. Это явление объяс­няется следующим. Переменный ток, проходящий по проводнику, порож­дает вокруг себя переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, создаёт магнитный поток, изменяющийся со временем, через площадь, ог­раниченную проводником. Согласно явлению электромагнитной индукции, это изменение магнитного потока и приводит к появлению э.д.с. са­моиндукции.

Найдём э.д.с. самоиндукции. Пусть по проводнику с индуктивностью L течёт электрический ток. В момент времени t₁ сила этого тока равна I₁, а к моменту времени t₂ она стала равной I₂. Тогда магнитный поток, создавае­мый током через площадь ограниченную проводником, в моменты време­ни t₁ и t₂ соответственно равен Ф1=LI₁ и Ф₂= LI₂ , а изменение DФ магнитного потока равно DФ = LI₂— LI₁ = L(I₂ — I₁) = LDI, где DI =I₂— I₁ — изменение силы тока за промежуток времени Dt = t₂ -t₁. Со­гласно закону электромагнитной индукции, э.д.с. самоиндукции равна: Подставляя в это выражения предыдущую формулу,

 

Получаем Итак, э.д.с. самоиндукции, возникающая в проводнике, пропорциональна быстроте изменения силы тока, текущего по нему. Соотношение представляет собой закон самоиндукции.

Под действием э.д.с. самоиндукции создаётся индукционный ток, на­зываемый током самоиндукции. Этот ток, согласно правилу Ленца, про­тиводействует изменению силы тока в цепи, замедляя его возрастание или убывание.

Энергия магнитного поля. При протекании электрического тока по проводнику вокруг него воз­никает магнитное поле. Оно обладает энергией. Можно показать, что энергия магнитного поля, возникающего вокруг проводника с индуктив­ностью L, по которому течёт постоянный ток силой I, равна

 

 

Билет №20

Смачивание и не смачивание. Капиллярные явления.

Элементы фотометрии: энергетические и фотометрические величины. Законы освещенности.

 

Давление. Закон Паскаля для жидкостей и газов. Сообщающиеся сосуды.

Физическая величина, равная отношению модуля силы, действующей перпендикулярно поверхности к площади это поверхности, называется давлением. Единица давления – паскаль, равный давлению, производимому силой в 1 ньютон на площадь в 1 квадратный метр. Все жидкости и газы передают производимое на них давление во все стороны. В цилиндрическом сосуде сила давления на дно сосуда равна весу столба жидкости. Давление на дно сосуда равно , откуда давление на глубине h равно . На стенки сосуда действует такое же давление. Равенство давлений жидкости на одной и той же высоте приводит к тому, что в сообщающихся сосудах любой формы свободные поверхности покоящейся однородной жидкости находятся на одном уровне (в случае пренебрежимо малости капиллярных сил). В случае неоднородной жидкости высота столба более плотной жидкости будет меньше высоты менее плотной. Характерная особенность, отличающая жидкость от газа, состоит в том, что жидкость на границе с газом образует свободную поверхность. Именно по этому вода в сосуде занимает не весть объем сосуда, а газ по всему объёму. Жидкость принимает форму, при которой площ её поверх оказывается минимальной. Избыточную потенциал энергию, которой обладают молекулы на поверхности жидкости, наз-ют поверхностной энергией Отношение поверхнстной энергии к площади поверхности наз-ся удельной поверхностной энергией . В состоянии устойчивого равновесия потенциал энергия минимальна

Сила, касательная к поверхности и перпендикулярная участку периметра. Огранич поверх жидкости- сила поверхностного натяжения Отношение модуля силы поверхностного натяжения к длине периметра, ограничивающего поверхность жидкости, наз-ся поверхностным натяжением. -удельная поверхностная энергия, или же поверхностное натяжение(где )

Смачив и несмачив. Жидкость, которая растекается тонкой пленкой по твердому телу, наз-ют смачивающей данное тело. Жидкость, которая не растекается, а стягивается в каплю, наз-ют не смачивающей это тело.

С ила поверхностного натяжения жидкости на границе с газом , сила поверхностного натяжения жидкости на границе с твердым телом , сила поверхностного натяжения твердого тела на границе с газом . Растекание жидкости по поверхности твердого тела произойдет, если ≥ + ,где -проекция силы поверхностного натяжения на горизонтальную поверхность.Угол θ, образованный направлением силы поверх натяж , действующей по касательной к поверх жидкости, с поверх твер. тела, наз-ся краевым углом. Как видно. Если поверх натяж на границе жидкость-тверд тело меньше, чем на границе тв. тело – газ(т.е. ) то

>0, краевой угол острый и жидкость смачивает тверд тело. И наоборот. Если же - > , то условие равновесия не может быть выполнено, ибо конус не может быть больше единицы.Это значит что жидк полность смачивает тверд тело. Явление смачив и несмачив широко применяется в технике.

Капилляр явления. -формула высоты подъема жидкости в капилляре -плотность жидкости, r- радиус капилляра, g- ускорен своб пад,

2)Элементы фотометрии. Потоком излучения наз –ся средняя мощность излучения за время, значительно большее периода электромагнитных колебаний. Ф_е=W/t=P

СИ –в а т т

Поверхностная плотность потока излучения равна отношению потока излучения к площади пов-ти, через которую проходит этот поток: I_e=Ф_е/S=P/S=W/(St). Часто эту величину наз-ют облученностью и обозначают E_e.

Термин Поверхностная плотность потока излучения аналогичен термину интенсивность волны, или в астрономии –светимость (Вт/м²)

Фотометрические величины: Световой поток –мощность оптического излучения, оцениваемая по вызываемому им световому ощушению. -св поток.СИ –люмен. Сила света I_v –определяется отношением светового потока к телесному углу , внутри которого этот поток распространяется . СИ –кандела.

Освещенность E_v связывает световой поток с площадью той поверхности, на которую этот поток падает. Освещенность в данной точке поверхности равна отношению светового потока, падающего на элемент пов-ти, к площади этого элемента: . СИ –люкс

Зак. Освещенности: 1) Освещенность пов-ти, создаваемая точечным источником света, обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника

2)Освещенность поверхности прямо пропорциональна косинусу угла падения лучей

3) Освещенность поверхности, создаваемая точечным источником, прямо пропорциональна силе света источника, косинусу угла падения лучей и обратно пропорц квадрату расстояния от источника до освещаемой пов-ти(обобщ. зак освещенности)

 

Билет №21

Оптические приборы: лупа, микроскоп, телескоп. Разрешающая способность телескопа. Фотоаппарат. Диа-, эпи-, и кинопроекты

1 . Каждый может легко разделить тела на твер­дые и жидкие. Однако это деление будет только по внешним признакам. Для того чтобы выяснить, ка­кими же свойствами обладают твердые тела, будем их нагревать. Одни тела начнут гореть (дерево, уголь) — это органические вещества. Другие будут размягчаться (смола) даже при невысоких темпера­турах — это аморфные. Третьи будут изменять свое состояние при нагревании так, как показано на гра­фике (рис. 12). Это и есть кристаллические тела. Та­кое поведение кристаллических тел при нагревании объясняется их внутренним строением. Кристалли­ческие тела — это такие тела, атомы и молекулы которых расположены в определенном порядке, и этот порядок сохраняется на достаточно большом расстоянии. Пространственное периодическое распо­ложение атомов или ионов в кристалле называют кристаллической решеткой. Точки кристаллической решетки, в которых расположены атомы или ионы, называют узлами кристаллической решетки.

Кристаллические тела бывают монокристал­лами и поликристаллами. Монокристалл обладает единой кристаллической решеткой во всем объеме.

Анизотропия монокристаллов заключается в зависимости их физических свойств от направления. Поликристалл представляет собой соединение мел­ких, различным образом ориентированных монокри­сталлов (зерен) и не обладает анизотропией свойств.

Большинство твердых тел имеют поликристалличе­ское строение (минералы, сплавы, керамика).

Основными свойствами кристаллических тел являются: определенность температуры плавления, упругость, прочность, зависимость свойств от поряд­ка расположения атомов, т. е. от типа кристалли­ческой решетки.

Аморфными называют вещества, у которых отсутствует порядок расположения атомов и молекул по всему объему этого вещества. В отличие от кри­сталлических веществ аморфные вещества изотроп­ны. Это значит, что свойства одинаковы по всем на­правлениям. Переход из аморфного состояния в жидкое происходит постепенно, отсутствует опреде­ленная температура плавления. Аморфные тела не обладают упругостью, они пластичны. В аморфном состоянии находятся различные вещества: стекла, смолы, пластмассы и т. п.

У пругость — свойство тел восстанавливать свою форму и объем после прекращения действия внешних сил или других причин, вызвавших дефор­мацию тел. Для упругих деформаций справедлив за­кон Гука, согласно которому упругие деформации прямо пропорциональны вызывающим их внешним воздействиям, где — механическое на­пряжение,

 

e— относительное удлинение, Е — мо­дуль Юнга (модуль упругости). Упругость обусловле­на взаимодействием и тепловым движением частиц, из которых состоит вещество.

Пластичность — свойство твердых тел под действием внешних сил изменять, не разрушаясь, свою форму и размеры и сохранять остаточные де­формации после того, как действие этих сил прекра­тится.

Лупы - короткофокусные двояковыпуклые линзы, сделанные из стекла или пластмассы.

f-фокусн расстоян лизы, D-расстоян до предмета

Микроскоп. Микроскопом называют оптический прибор, служащий для рассматривания мелких предметов, невидимых невооруженным глазом. Микроскоп состоит из двух собирающих линз - короткофокусного объектива и длиннофокусного окуляра, расстояние между которыми можно изменять при настройке на резкость. Объектив создает действительное, перевернутое, увеличенное промежуточное изображение. Окуляр действует как лупа, создавая мнимое увеличенное изображение. -угловое увеличение микроскопа, - расстоян м\у зад фокусом объектива и передним фокусом окуляра

Телескоп: а)рефлекторы,б)рефракторы

Действие рефлектора - отражающего телескопа- основано на использовании зеркального, отражающего объектива.Впервые создал Ньютон. Ньютон стремился устранить хроиатическую аберрацию. Свойственную линзам.

В рефракторе- линзовом телескопе используются две системы линз. Оптическую систему телескопа для получения максимального углового увеличения конструируют так. Чтобы задний фокус объектива совпадал с передним фоуксом окуляра

 

Для характеристики объектива телескопа вводятвеличину А, обратную предельному углу(ее наз-ют разрешающей силой телескопа) . Для увеличения разрешающей способности телескопа надо брать объективы большого диаметра. Другой путь—уменьшение длины волны регистрируемого излучения. Фотоаппарат представляет собой закрытую светонепрониц камеру и систему линз, называемую объективом.(состоит из 2-3х линз, навороченные 7-9)Диафрагма—при ее помощи получается четкое изображение предметов, находящихся на разных расстояниях от фотоаппарата. Диапроектор - назначение создавать на экране увеличенные изображения прозрачных рисунков или фоток, зафиксированных на кадре диафильма. Эпипроектор -получение изображения зафиксированного на бумаге.(тема такая как в цнире стоит). Кинопроектор отличается от диапроектора лишь тем, что в нем имеется механический прерыватель (обтюратор), который заслоняет объектив в тот момент, когда кинопленка продергивается на 1 кадр. Т.к. смена кадров происходит 24 раза в 1с. Глаз эти прерывания не замечает.

 

 

Билет № 22

Элементы специальной теории относительности. Постулаты СТО. Конечность и предельность скорости света. Релятивистский закон преобразование скоростей. Релятивистская динамика.

 

1. Каждое тело имеет вполне определенную структуру, оно состоит из частиц, которые хаотиче­ски движутся и взаимодействуют друг с другом, по­этому любое тело обладает внутренней энергией. Внутренняя энергия — это величина, характери­зующая собственное состояние тела, т. е. энергия хаотического (теплового) движения микрочастиц си­стемы (молекул, атомов, электронов, ядер и т. д.) и энергия взаимодействия этих частиц. Внутренняя энергия одноатомного идеального газа определяется по формуле U=3/2 • т/М • RT.

Внутренняя энергия тела может изменяться только в результате его взаимодействия с другими телами. Существуют 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 передается от более нагретых тел к менее нагретым. Теплопере­дача бывает трех 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 для тепловых про­цессов читается так. Изменение внутренней энергии замкнутой системы равно сумме количества теп­лоты, переданной системе, и работы, внешних сил, совершенной над системой. D U= Q + А, где D U— изменение внутренней энергии, Q — количество теп­лоты, переданной системе, А — работа внешних сил. Если система сама совершает работу, то ее условно обозначают А'. Тогда закон сохранения энергии для тепловых процессов, который называется первым за­коном термодинамики, можно записать так: Q = Α' + D U, т. е. количество теплоты, переданное систе­ме, идет на совершение системой работы и измене­ние ее внутренней энергии.

При изобарном нагревании газ совершает ра­боту над внешними силами Α' = p(V₁-V₂) = pΔV, где

V₁, и V₂ — начальный и ко­нечный объем газа. Если про­цесс не является изобарным, величина работы может быть определена площадью фигу­ры, заключенной между ли­нией, выражающей зависи­мость p(V) и начальным и ко­нечным объемом газа (рис. 13).

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 = А', т. е. количество теплоты, переданное системе, идет на совершение работы при изотермическом расширении, именно поэтому темпе­ратура не изменяется.

В изобарном процессе газ расширяется и ко­личество теплоты, переданное газу, идет на увеличе­ние его внутренней энергии и на совершение им ра­боты: Q = D U + А'.

При изохорном процессе газ не меняет своего объема, следовательно, работа им не совершается, т. е., А = О, и уравнение первого закона имеет вид:

Q = D U, т. е. переданное количество теплоты идет на увеличение внутренней энергии газа.

Адиабатным называют процесс, протекающий без теплообмена с окружающей средой. Q = 0, следо­вательно, газ при расширении совершает работу за счет уменьшения его внутренней энергии, следова­тельно, газ охлаждается, Α' = D U. Кривая, изобра­жающая адиабатный процесс, называется адиабатой.