Применение первого начала термодинамики к термодинамическим изопроцессам

 

ИЗОХОРНЫЙ ПРОЦЕСС V=const, dV=0	C	n
1→2 процесс− изохорное нагревание δA=pdV=0 тогда из δQ=dU+δA (IНТ) 1→3 процесс − изохорное охлаждение δQ=dU, а из , для произвольной массы	СV	±∞
ИЗОБАРНЫЙ ПРОЦЕСС p=const, dp=0
используя (1), Отсюда физический смысл молярной газовой постоянной R: R численно равна работе изобарного расширения 1 моль идеального газа при нагревании его на 1К. Т.о., в изобарном процессе при сообщении газу массой m количества теплоты , его внутренняя энергия возрастает на величину (согласно ), а газ совершает работу .	Cp	0

 

 

ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС T=const, dT=0
при T=const, Из (IНТ), δQ=δA,	∞	1
АДИАБАТИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС δQ=0 Отсутствует теплообмен между системой и окружающей средой Примеры:, 1) быстропротекающие процессы, 2) распространение звука в среде (обмен энергией между волной и средой не происходит), 3) расширение и сжатие горючей смеси в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания, 4) процессы в холодильных установках.
Из (IНТ), δA=−dU ( из δ A=pdV и )→ ↓дифференцируя (1) → → обозначая и Cp=CV+R→ решение к-го или → pV^γ=const или TV^γ^-1=const T^γp^1−^γ=const уравнение адиабатического процесса (Пуассон) показатель адиабата или коэффициент Пуассона. Для одноатомных газов (Ne, He и др.) i=3 γ=1,67. Для двухатомных газов (H2, N2, O2 и др.) i=5 γ=1,4. Адиабат (dQ) более круче, чем изотерма (T=const), т.к. при адиабатическом сжатии 1−3 увеличение давления газа обусловлено не только уменьшением V, но и повышением T. Элементарна работа δA=−dU , а → → , где. Эта работа меньше, чем при изотермическом расширении, т.к. при адиабатическом расширении происходит охлаждение газа, тогда как при изотерме T=const за счет притока теплоты извне.	0	γ
С	n

 

 

Приложение к теме «Оптика» ОСНОВНЫЕ ФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ И ИХ ЕДИНИЦЫ

Фотометрия−Раздел оптики, занимающийся вопросами измерения интенсивности света и их источников
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ЕДИНИЦЫ характеризуют энергетические параметры оптического излучения безотносительно к его действию на приемники и излучения	СВЕТОВЫЕ ВЕЛИЧИНЫ характеризуются физиологические действия света и оцениваются по воздействию на глаз или других приемники излучения
Поток излучения	Фе	Отношение энергии W излучения ко времени t, за которое изл. произошло	Фе=W/t	Единицы	Световой поток Фλ=Фeλ∙Vλ	Мощность опт. изл. по вызываемому им световому ощущению (по его действию на селективный приемник света с заданной спектр. чувствительностью). Например, для глаза Vλ кривой видности.	Единицы
1 люмен (лм) − свет. поток испускаемый точечным источником силой света в 1 кандела (кд) внутри телесного угла в 1 ср при равномерности поля 1лм=1кд∙ср
Ватт (Вт)
Энергетическая светимость (Излучательность, поверхностная плотность потока излучения)	Re	Отношение потока изл. Фе к площади S сечения, сквозь к-ое этот поток проходит	Re= Фе/S	Вт/м^2	Светимость R=Ф/S		Люмен на метр в квадрате (лм/м^2)
Энергетическая сила света (сила излучения)	Ie	Отношение потока изл. Фе точечного источника к телесному углу Ω в пределах к-ого это изл. распространяется	Ie= Фе/Ω	Вт на стерадиан (Вт/ср)	I=Ф/Ω
Энергетическая яркость (лучистость)	Be	Отношение энергетической силы света ΔIe элемента излучающей поверхности к площади ΔS проекции этого элемента на плоскость перпендикулярную направлению наблюдения	Be= ΔIe/ ΔS	Вт на ср метр в квадрате Вт/(ср∙м^2)	Яркость cветящейся поверхности (протяженного источника) Bφ=I/(S∙cosφ)	кд на метр в квадрате (кд/м^2)
Энергетическая освещенность (облученность)	Ее	Поток изл., падающего на единицу освещаемой поверхность		Вт/м^2	Освещенность Е=Ф/S	Отношение светового потока Ф падающего на поверхность, к площади S этой поверхности	Люкс (лк)=лм/м^2 1 лк − освещенность поверхности на 1м^2 к-ой падает световой поток 1лм

 

Приложение к теме «Элементарные частицы» КЛАССИФИКАЦИЯ ЧАСТИЦ

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ (ИСТИННО ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ) ЧАСТИЦЫ (61)

Группа (количество)

Название (количество) (тип взаимодействия)

Символ (Открытие)     частица (античастица)

Масса     me; (Мэв)

Эл.заряд e

Спин ħ

Изоспин I

Лептонное число L

Барионное число B

Странность S

Продолжительность жизни или Период полураспада T(с)

Возникает при взаимодействии (в.п.в.) или Образует (о) (Грабовский)

Переносчики Фундаментальных взаимодействий (13)

Фотон (Электромагнитные Взаимодействия)

γ (1905,Эйнштейн)

−

Стабилен, Время жизни не ограничено ∞

В.п.в. внутриатомных и внутриядерных проц. и аннигиляции пар

Промежуточные бозоны (3) (слабые)

W^+ W^− Z^0(1983)

~18·10^4(83·10^3) (~93·10^3)

±1

? 3·10^−25 ? 3·10^−^25

Глюон(8) (не существует как свободная частица) (сильные)

G

0(теор. оценка)

∞

Гравитон (гравитационные)

G

∞

(пока не обнаружен)

Лептоны (12) (Легкие) (уст.)

Электрон – (позитрон)

е^− (1897, Томсон) (е^+ −1932,Андерсон)

1; (0,511) 1; (0,511)

−1 +1

1/2 1/2

− −

+1 +1

∞ >6·10^29 ∞ >6·10^29

О.атомную оболочку, В.п.в. электр-позитр. пар или β^−распаде

Электронное нейтрино

()

0 или (<3·10^−5)

1/2

−

+1

∞

в. п.в. β^±, μ^± распаде

Мюон (μ - мезон)

μ^− (1937) (μ^+)

207 (105)

1

1/2

−

+1

~10^−6

распад π-,К-мезонов

Мюонное нейтрино

()

0 или (<0,52)

1/2

−

+1

∞

в. п.в. μ^± распаде

Таон

τ^− (τ^+)

3487 (1782)

1

1/2

−

+1

10^−12

Таонное нейтрино

()

0 или (<150)

1/2

−

+1

?

К В А Р К И (36)

A P O M A T

Верхний (up)

u

Каждому аромату присущ еще и три цвета: Частицам − желтый, синий, красный. Античастицам − фиолетовый, оранжевый, зеленый.

+2/3

Строение некоторых адронов π^+ () D^0 () p () Δ^++ () π^− () D^+ () n () Δ^− () К^+ () F^+ () () () () ()

Нижний (down)

d

−1/3

Странный (strange)

s

−1/3

Очарованный (charm)

c

+2/3

Прелестный (beauty)

b

−1/3

Истинный (truth)

t

+2/3

 

А Д Р О Н Ы (~400)

(ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ)

Группа

Название

Символ (Открытие)     частица (античастица)

Масса   me; (Мэв)

Эл.заряд e

Спин ħ

Изоспин I

Лептонное число L

Барионное число B

Странность S

Продолжительность жизни или Период полураспада Т (с)

Возникает при взаимодействии (в.п.в.) или Образует (о) (Грабовский)

МЕЗОНЫ (Средние)

Пионы (π−мезоны)

π^0 (1935) (π^0) π^+ (π^−)

264 135 273 140

±1

обычные

10^−16 10^−8

В.п.в.частиц выс. энерг.с атомн.ядрами или распаде Каонов и Гиперонов

Эта−мезоны

η^0 (η^0)

1074 549

−

10^−19

Каоны (К−мезоны)

К^0 () К^+ (К^−)

974 498 966 494

±1

1/21/2

+1 +1

странные

10^−1010^−8 ~10^−8

В.п.в. частиц выс. энергии с атомн. ядрами

D−мезоны

D^0, D^+, (D^−)

~1869

−1

очарованные

~10^−12

F−мезоны

F^+ (F^−)

~10^−13

БАРИОНЫ (тяжелые)

Нуклоны Протон Нейтрон

p(1919−Резерфорд) ( −1955) n (1932−Чедвик) ( −1956)

1836,2 938,3   1838,7 939,6

±1

1/2   1/2

1/2   1/2

+1   +1

обычные

∞ или >10^38   ∞ в ядре или ≈10^3 в свободе

p, n −О. атомное ядро; , −в. п.в. взаимодействии частиц высоких. энергии

Гипероны лямбда   сигма−     кси−   омега

() () () () () () ()

2183 1115 2334 1192 2328 1189 2343 1197 2573 1315 2586 1321 3272 1672

±1 1 1 1

1/2 1/2 1/2 1/2 1/2 1/2 3/2

1/2 1/2

+1 +1 +1 +1 +1 +1 +1

−1 −1 −1 −1 −2 −2 −3

стран-ные

~10^−10 ~10^−20 ~10^−10 ~10^−10 ~10^−10 ~10^−10 ~10^−10

В. п.в. взаимодействии частиц сверхвысоких. энергии с атомными ядрами

Лямбда − це−гиперон

±1

1/2

+1

очарованные

~10^−13

 

[1] В 1889-1960гг единицей длины (метр) служил эталон из платиново-иридиевого сплава, равный 10⁻⁷ части половины Парижского меридиана, проходящий через Нотр-Дам де Пари (Собор Парижской Богоматери).

[2] Заметим, что в системе единиц СГСЭ единица измерения заряда устанавливается именно по формуле Кулона, поэтому в этой системе единиц коэффициент пропорциональности в формуле Кулона принимается k=1.

 

[3] На практике надо учитывать и силы трения, и силы сопротивления и другие подобные силы: чтобы машина двигалась равномерно, надо чуть-чуть пригазить.

[4] Заметим, что в других разделах физики употребляются и другие единицы измерения энергии, такие как электрон-вольт или киловатт-час.

 

[5] Другое доказательство этого закона (по Лаврову). Если в замкнутой системе действуют только консервативные силы, то элементарная работа dA этих сил при изменении конфигурации системы, сопровождается изменением кинетической и одновременно равным ему по модулю, но противоположным по знаку изменением потенциальной энергии системы (dA=dW_k; dA=−dW_p). Тогда dE=dW_k+dW_p=d(W_k+W_p)=dA−dA=0 или E=W_k+W_p=const/

[6] Напомним, что по определению под инертностью или инерцией тела подразумевается масса тела, но исторически так сложилось, что вместо «момент массы» употребляется словосочетание «момент инерции».

 

[7] Это оправдано не только тем, что многие периодические процессы действительно близки к гармоническим, но и тем, что любые периодические процессы можно представить как наложение гармонических колебаний (тригонометрический ряд Фурье).

[8] Существует еще и Общая Теория Относительности (ОТО) или теория тяготения, которая связывает свойства пространства-времени с массами, находящаяся в данной области пространства.

[9] Постулат - основанное на результатах опытов, исходное (иногда априорное) утверждение или допущение (принимаемое без доказательств), которое лежит в основе теории, справедливость которого подтверждается при сравнении выводов теории с результатами экспериментов.

[10]Размеры (диаметры) атомов и молекул ~ 10^-10-10^-9м, размеры ядер атомов ~ 10^-14м. Цепочка из 10 миллионов молекул имел бы длину 1-10 мм (до 1 см). Например, масса атома водорода ≈1,7∙10⁻²⁷кг, масса молекулы воды ≈30∙10⁻²⁷кг, диаметр молекулы воды ~ 3^.10^-10м, а их количество в капле воды ~ 3^.10¹⁹; цепочка из такого количества молекул имела бы длину 3^.10⁶ км, что 8 раз больше расстояния Земля − Луна.

[11] Например, в океанских водах содержится колоссальное количество энергии в виде теплоты. Охлаждение воды океанов на 1⁰ дало бы ~10²⁴ Дж теплоты, что эквивалентно полному сжиганию 10¹⁴ т угля. Такое количество угля имел бы состав длиной 10¹⁰ км, т.е. с размером Солнечной системы. Притом за первые 1700 лет такой «перекачки» теплоты температура воды в океане понизилась бы в среднем на одну сотую долю кельвина.

 

[12] Позже были обнаружены элементарные частицы с электрическими зарядами ±2.

[13] В действительности, северный географический и южный магнитный полюса Земли точно не совпадают.

[14] Точнее, роль передней сферической поверхности играет не передняя поверхность хрусталика, а поверхность роговой оболочки.

[15] Недавно появилось сообщение о том, что обрабатывая поверхность цветных металлов лазером, американским ученым удалось увеличить их поглощательную способность почти до А≈1.

[16] Строго говоря, черными дырами могут стать физические тела любой массы, если их уменьшить до определенных размеров (до радиуса Шварцшильда).

[17] Впервые слово «Квант» звучало на заседании Немецкого физического общества в докладе Планка 14.12.1900г. Эта дата считается днем рождения квантовой физики.

 

[18] Название «фотон» как «квант света» впервые предлагал А.Х.Комптон (1923г.).

[19] Справедливости ради надо отметить, что идею планетарной модели строения атома высказал еще в1903г. японский ученый Нагаока, но экспериментально обосновать ее он не мог.

 

[20] Заметим, что в некоторых учебниках и даже справочниках ошибочно утверждается обратное.

[21] Строго говоря, масса покоя нейтрино может быть отлична от нуля. Например, для электронного нейтрино предполагают, что она меньше, чем 10^-4 m_e, но пока не удается зарегистрировать такое малое значение массы.

[22] Открытие частицы с двойным элементарным зарядом (±2 е) произошло сравнительно недавно, поэтому этот факт в некоторых книгах еще не отражен.

[23] Более строгое определение: некоторые характеристики частиц и античастиц одинаковы, а некоторые отличаются только по знаку.

[24] В этой связи может возникнуть вопрос: почему не превращаются в фотоны все электроны и протоны, образующие атомы вещества? Этого не происходит только потому, что в Галактике число античастиц (позитронов, антипротонов и т.д.) крайне мало по сравнению с числом частиц. Возможно, что где-то существуют галактики, в основном состоящих из антивеществ, и в которых атомы вещества (точнее говоря, антивещества) построены из античастиц (позитронов, антипротонов и антинейтронов).

[25] То, что фотон и электрон стабильны и не распадаются, понятно: нет более мелких частиц, на которых они могут превратиться. Тем более, что распаду электрона препятствует и закон сохранения электрических зарядов. Для протона существует много потенциальных каналов распада (например, на пион и нейтрино), но, тем не менее, он очень стабильная частица. Его время жизни t_p заведомо превышает 10¹⁵ лет, что уже на пять порядков превышает время существования Вселенной 10¹⁰ лет. Об этом очевидном факте свидетельствует наше существование. В человеческом теле ~10²⁹ протонов. Если время t_p было бы меньше 10¹⁵ лет, то за год распадалось бы более 10¹⁴ протонов. Ионизации, произведенной этими распадами, было бы вполне достаточно для уничтожения всех сколько-нибудь крупных живых существ, и, разумеется, человеческого рода. Время t_p ~10¹⁵ лет − огромный масштаб, даже сравнительно с временем существования Вселенной. Поэтому естественно было полагать, что протон − абсолютно стабильная частица. С другой стороны, весь опыт развития науки давал веское основание для утверждения: все, что не запрещено, должно осуществляется в природе. Поэтому не понятно, почему не распадается протон? Чтобы совместить факт такой стабильности протона с правилом «все, что может происходить в мире элементарных частиц, происходит», придумали post factum закон сохранения барионного заряда, приписывая всем барионам (в том числе и протону) барионное число +1, а антибарионам −1. По этому закону во всех реакциях и превращениях элементарных частиц барионный заряд должен сохранятся. Тогда этот запрет просто «объяснял» стабильность протона. Его барионный заряд (число) равен +1, а такой заряд всех более легких частиц равен нулю. Например, в реакции p →π⁺ + ν барионный заряд в левой части равен +1, а в правой − нулю, значит такой распад (а также другие аналогичные реакции) невозможен.

Закон сохранения барионного заряда был введен по аналогии с законом сохранения электрического заряда. Но электрический заряд, помимо того, что он сохраняющаяся величина, несет и другую важную функцию. Электрический заряд − количественная мера электромагнитного взаимодействия. Барионный заряд эту функцию не выполняет. С большой степенью точности на опыте удалось показать непричастность барионного заряда к дальнодействующим взаимодействиям. Сомнения в отношении закона сохранения барионного заряда привели к тому, что проводились специальные эксперименты для определения t_p. Так, в начале 70-х годов было получено, что t_p≥10²⁹лет.

Ситуация коренным образом изменилось, когда в рамках теории большого объединени я (теория, которая с единой точкой зрения объясняет электромагнитные, сильные и слабые взаимодействия), получили теоретические оценки для t_p=10^31±2лет. По последним данным(1983г.) t_p>10³¹лет. Таким образом, уточнение t_p может служить еще одним доказательством правильности теории большого объединения.