Учебник по физике для поступающих в ВУЗ /Экзаменационные вопросы по физике (2006-2007)/

Количество теплоты, необходимое для нагревания тела (или выделяемое при остывании), зависит от массы тела, от изменения его температуры и рода вещества.

Количество теплоты обозначают – Q

Единица измерения (как вид энергии) – Дж (Джоуль)

Измерять количество теплоты ученые стали задолго до того, как в физике появилось понятие энергии. Тогда была установлена особая единица количества теплоты – кал (калория) (лат. калор – тепло, жар)

Калория – это количество теплоты, которое необходимо для нагревания 1 г воды на 1оС.

1 кал = 4.19 Дж

1 ккал = 4190 Дж = 4.190 кДж

Средняя энергия беспорядочного поступательного движения молекул пропорциональна абсолютной температуре. Изменение внутренней энергии тела равно алгебраической сумме изменений энергии всех атомов или молекул, число которых пропорционально массе тела, поэтому изменение внутренней энергии и, следовательно, количество теплоты пропорционально массе и изменению температуры:

Q = cm∆T (Дж)

Коэффициент пропорциональности в этом уравнении называется удельной теплоемкостью вещества.

Физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое необходимо передать телу массой 1 кг для того, чтобы изменить его температуру на 1оС, называют удельной теплоемкостью вещества.

Удельная теплоемкость – это количество теплоты, которое получает или отдает 1 кг вещества при изменении его температуры на 1 К.

Единица измерения - Дж/(кг*К)

Обозначение – с

Удельная теплоемкость «с» показывает, какое количество теплоты необходимо для нагревания 1 кг вещества на 1 К.

Следует помнить, что удельная теплоемкость вещества, находящегося в различных агрегатных состояниях различна.

Удельная теплоемкость зависит не только от свойств вещества, но и от того, при каком процессе осуществляется теплопередача.

Если нагревать газ при постоянном давлении, то он будет расширяться и совершать работу. Для нагревания на 1оС при постоянном давлении ему нужно передать большее количество теплоты, чем при нагревании при постоянном объеме.

Жидкие и твердые тела расширяются при нагревании незначительно, и их удельные теплоемкости при постоянном объеме и постоянном давлении мало различаются.

При осуществлении теплообмена между двумя телами в условиях равенства нулю работы внешних сил и в тепловой изоляции от других тел, по закону сохранения энергии ΔU1 + ΔU2 = 0.

Если изменение внутренней энергии не сопровождается работой, то ΔU1,

или же Q1 + Q2 = 0, откуда :

c1m1ΔT1+ c2m2ΔT2 = 0

Это уравнение называется уравнением теплового баланса.

Чтобы рассчитать количество теплоты, необходимое для нагревания тела или выделяемое при охлаждении, следует удельную теплоемкость умножить на массу тела и на разность между конечной и начальной температурами.

Использование топлива основано на явлении выделения энергии при соединении атомов при окислительно-восстановительных реакциях

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг, называется удельной теплотой сгорания топлива.

Единица измерения – Дж/кг Обозначение - q

Общее количество теплоты, выделяемое при сгорании топлива массой m:

Q = q m

РАБОТА В ТЕРМОДИНАМИКЕ(уч.10кл.стр.265-267)

Работа газа при расширении и сжатии (на примере поршня).

Формула работы газа и ее смысл

Работа газа при изопроцессах

Изобарное расширение. График и физический смысл площади под ним.

Изотермическое расширение. График и физический смысл площади под ним.

Формула работа при изотермическом расширении

В механике работа определяется как произведение модулей силы и перемещения и косинуса угла между ними. Работа совершается при действии силы на движущееся тело и равна изменению его кинетической энергии.

В термодинамике движение тела как целого не рассматривается, речь идет о перемещении частей макроскопического тела относительно друг друга. В результате меняется объем тела, а его скорость остается равной нулю. Работа в термодинамике определяется так же, как и в механике, но равна изменению не кинетической энергии тела, а его внутренней энергии.

При совершении работы (сжатии или расширении) изменяется внутренняя энергия газа. Причина этого состоит в следующем: при упругих соударениях молекул газа с движущимся поршнем изменяется их кинетическая энергия. Поршень передает молекулам часть своей механической энергии.

При сжатии или расширении меняется и средняя потенциальная энергия взаимодействия молекул, так как меняется среднее расстояние между молекулами.

Вычислим работу газа при расширении.

Газ действует на поршень с силой F’= pS,

где p - давление газа, S - площадь поверхности поршня.

При расширении газа поршень смещается в направлении силы F’ на малое расстояние ∆h. Если расстояние мало, то давление газа можно считать постоянным.

Работа газа равна:

A’ = F∆h = S∆h = ∆V,

где ∆h - изменение объема газа.

= F/S – среднее давление

∆V = V1 – V2 = S∆h – изменение объема

В процессе расширения газ совершает положительную работу, так как направление силы и перемещения совпадают.

В процессе расширения газ отдает энергию окружающим телам.

Работа, совершаемая внешними телами над газом, отличается от работы газа только знаком A = A’, так как сила F, действующая на газ, противоположна силе , с которой газ действует на поршень, и равна ей по модулю (третий закон Ньютона); а перемещение остается тем же самым. Поэтому работа внешних сил равна:

A = - ∆V.

Работа, совершаемая газом, равна произведению среднего давления газа на изменение его объема

A = (V1 –V2)

При расширении ∆V > 0 газ совершает положительную работу, отдавая энергию окружающим телам.

При сжатии ∆V < 0 работа, совершаемая газом, отрицательная. Внутренняя энергия газа при сжатии увеличивается.

Работа, совершаемая газом в процессе его расширения или сжатия при любом термодинамическом процессе, численно равна площади под кривой, изображающей изменение состояния газа на диаграмме p, V

При изохорном процессе ∆V= 0 работа газом не совершается.

При изотермическом расширении газа его давление изменяется по гиперболическому закону.

 A =  RT ln

ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ(уч.10кл.стр.269-273)

Первый закон термодинамики как закон сохранения энергии при тепловых процессах

Формулировка закона через внутреннюю энергию

Физический смысл первого закона термодинамики

Формулировка закона через количество теплоты

Первый закон термодинамики для изопроцессов на примере поршня.

(изотермический, изохорный, изобарный процессы)

Графики процессов и их физический смысл

Первый закон термодинамики для адиабатного процесса (уч.10кл.стр.273)

Первый закон термодинамики является законом сохранения энергии, распространенным на тепловые явления.

Закон сохранения энергии:

энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает: количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую.

В термодинамике рассматриваются тела, положение центра тяжести которых практически не меняется. Механическая энергия таких тел остается постоянной, а изменяться может лишь внутренняя энергия.

Внутренняя энергия может изменяться двумя способами: теплопередачей и совершением работы.

Первый закон термодинамики:

Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил, действующих на нее, и количества теплоты, переданного системе извне.

∆U = Aвн + Q

Если система изолирована, то над ней не совершается работа и она не обменивается теплотой с окружающими телами. Согласно первому закону термодинамики внутренняя энергия изолированной системы остается неизменной.

∆U = U2 - U1 = 0

Внутренняя энергия замкнутой, изолированной системы сохраняется.

Работа, совершаемая газом, отличается от работы внешних сил только знаком:

Aвн = -А (т.к. Fвн = -F)

Работа и количество теплоты – характеристики процесса изменения внутренней энергии.

Система обладает определенной внутренней энергией. Но нельзя говорить, что в системе содержится определенное количество теплоты или работы. Работа и количество теплоты являются величинами, характеризующими изменение внутренней энергии системы в результате того или иного процесса.

На основе множества наблюдений и обобщения опытных фактов был сформулирован закон сохранения энергии:

Энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает: количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую.

Закон сохранения и превращения энергии, распространенный на тепловые явления, носит название первого закона термодинамики.

В общем случае при переходе системы из одного состояния в другое внутренняя энергия изменяется одновременно как за счет совершения работы, так и за счет передачи теплоты.

Первый закон термодинамики формулируется именно для общих случаев:

Изменение внутренней энергии системы при переходе из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе:

DU = A + Q

Если система изолирована, то над ней не совершается работа (А = 0) и она не обменивается теплотой с окружающими телами (Q = 0). В этом случае DU = U2 – U1 = 0, или U2 = U1:

Внутренняя энергия изолированной системы остается неизменной (сохраняется)

Часто вместо работы А внешних тел над системой рассматривают работу А’ системы над внешними телами.

Учитывая что А’ = -А, первый закон термодинамики можно сформулировать так:

Количество теплоты, подведенное к системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами:

Q = ∆U + A

Из первого закона термодинамики вытекает невозможность создания вечного двигателя.

Применение первого закона термодинамики к изопроцессам

При изохорном процессе объем газа не меняется и поэтому работа газа равна нулю. Изменение внутренней энергии равно количеству переданной теплоты:

Q = ∆U = RT2 - RT1 = R∆T

i - число степеней свободы молекул газа

Изменение внутренней энергии газа происходит благодаря теплообмену с окружающими телами.

При изохорном нагревании давление газа возрастает из-за увеличения средней кинетической энергии молекул.

При изотермическом процессе (∆Т=0) внутренняя энергия идеального газа не меняется. Все переданное газу количество теплоты идет на совершение работы:

Q = A

При изотермическом процессе количество теплоты, переданное газу от нагревателя, полностью расходуется на совершение работы.

При изотермическом расширении молекулы газа, сталкиваясь с поршнем, уменьшают свою скорость и соответственно среднюю энергию.

При изотермическом расширении (A>0) и сжатии (A<0) к газу подводят или отводят (Q<0) определенное количество теплоты.

При изобарном расширении газа подведенное к нему количество теплоты расходуется на увеличение его внутренней энергии (∆U>0) и на совершение работы газом (A>0)

Q = ∆U + A

Для изобарного расширения газа от V1 до V2 , при котором увеличивается его температура, требуется большее количество теплоты, чек при изотермическом процессе, где температура газа не изменяется

Адиабатный процесс – процесс в теплоизолированной системе.

Следовательно, изменение внутренней энергии при адиабатном процессе происходит только за счет совершении работы (Q = 0):

∆U = A

Реальные процессы близки к адиабатному, если протекают достаточно быстро, чтобы не успевал происходить теплообмен с окружающей средой.

Так как работа внешних сил при сжатии положительна, внутренняя энергия газа при адиабатном сжатии увеличивается, а его температура повышается. (Пример: дизель)

При адиабатном расширении газ совершает работу за счет уменьшения своей внутренней энергии, поэтому температура газа при адиабатном расширении понижается.(Пример: сжижение газов при быстром расширении)

ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ, ИЗОХОРНЫЙ И ИЗОБАРНЫЙ ПРОЦЕССЫ(уч.10кл.стр.252-257, 265-267, 270-271)

Изотермический процесс. Закон Бойля-Мариотта. График процесса

Изобарный процесс. Закон Гей-Люссака. График процесса

Изохорный процесс. Закон Шарля. График процесса

См.выше Работа газа при изопроцессах (уч.10кл.стр.265-267)

Первый закон термодинамики для изопроцессов на примере поршня.

(изотермический, изохорный, изобарный процессы)

Графики процессов и их физический смысл

Количественные зависимости между двумя параметрами газа при фиксированном значении третьего параметра называют газовыми законами. А процессы, протекающие при неизменном значении одного из параметров, - изопроцессами.

Изопроцесс – термодинамический процесс, протекающий в системе с неизменной массой при постоянном значении одного из макроскопических параметров системы.

Между тремя основными параметрами состояния тела существует связь, называемая – уравнением состояния идеального газа Клайперона-Менделеева:

pV = RT

Изотермический процесс T = const

Изотермический процесс – Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянной температуре.

Для поддержания температуры газа постоянно необходимо, чтобы он мог обмениваться теплотой с большой системой – термостатом.

Закон Бойля-Мариотта:

Для газа данной массы произведение давления газа на его объем постоянно, если температура газа не меняется

 p1V1 = p2V2  при T=const  (pV = const = RT )

Изотерма график изменения макроскопических параметров газа при изотермическом процессе.

Изобарный процесс P = const

Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном давлении.

= const =  Þ V = const * T

Закон Гей-Люссака:

Объем газа данной массы при постоянном давлении пропорционален термодинамической температуре.

Для газа данной массы отношение объема к температуре постоянно, если давление газа не меняется.

  =  при p = const  .

Изобара – график изменения макроскопических параметров газа при изобарном процессе.

Различным давлениям соответствует разные изобары.

В области низких температур все изобары идеального газа сходятся в точке Т=0.

Но это не означает, что объем реального газа действительно обращается в нуль. Все газы при сильном охлаждении превращаются в жидкости, а к жидкостям уравнение состояния идеального газа неприменимо.

Изобарным можно считать расширение газа при нагревании его в цилиндре с подвижным поршнем. Постоянство давления в цилиндре обеспечивается атмосферным давлением на внешнюю поверхность поршня.

Изохорный процесс V = const

Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном объеме.

= const =  Þ p = const *T при V = const

Закон Шарля:

Для газа данной массы отношение давления газа к его термодинамической температуре постоянно.

Для газа данной массы отношение давления к температуре постоянно, если объем не меняется

 =  при V = const  .

Изохора – график изменения макроскопических параметров газа при изохорном процессе.

В соответствии с уравнением p= const·T все изохоры начинаются в точке Т=0.

Значит, давление идеального газа при абсолютном нуле равно нулю.

Увеличение давления газа в любой емкости или в электрической лампочке при нагревании является изохорным процессом.

Изохорный процесс используется в газовых термометрах постоянного объема.

При изохорном нагревании газа за счет подводимого к нему тепла средняя квадратичная скорость молекул и соответственно температура и давление газа возрастают.

АДИАБАТНЫЙ ПРОЦЕСС(уч.10кл.стр.272-274)

Термодинамический процесс в термоизолированной системе

Понятие термоизолированной системы

Определение адиабатного процесса

Первый закон термодинамики для адиабатного процесса

Изменение температуры газа при адиабатном процессе

График адиабатного расширения. Показатель адиабаты

Использование адиабатных процессов в технике на примере дизеля

Для наиболее эффективного преобразования внутренней энергии газа в работу следует предотвратить потери внутренней энергии от теплопередачи окружающим телам.

Систему следует теплоизолировать

Теплоизолированная система – система не обменивающаяся энергией с окружающими телами

Q = 0.

Адиабатный процесс – термодинамический процесс в термоизолированной системе.

Изменение внутренней энергии при адиабатном процессе происходит только за счет совершении работы:

∆U = A

Первый закон термодинамики для адиабатного процесса принимает вид:

∆U + A = 0 или А = -∆U

При адиабатном расширении A > 0 , следовательно

∆U = R∆T < 0

i - число степеней свободы молекул газа

Это означает, что ∆Т<0, т.е. температура газа уменьшается по сравнению с первоначальной.

Близким к адиабатному может считаться процесс быстрого расширения или сжатия газа. При этом процессе работа совершается за счет изменения внутренней энергии, т.е. –A = ΔU, поэтому при адиабатном процессе температура понижается.

Понижение температуры газа при адиабатном расширении приводит к тому, что его давление уменьшается более резко, чем при изотермическом процессе.

Так как работа внешних сил при сжатии положительна, внутренняя энергия газа при адиабатном сжатии увеличивается, а его температура повышается.

При адиабатном расширении газ совершает работу за счет уменьшения своей внутренней энергии, поэтому температура газа при адиабатном расширении понижается.

Площадь под адиабатой численно равна работе, совершаемой газом при его адиабатном расширении от V1 до V2.

Поскольку при адиабатном сжатии газа температура газа повышается, то давление газа с уменьшением объема растет быстрее, чем при изотермическом процессе.

Примеры адиабатного процесса – воспламенение тряпочки с эфиром при адиабатном сжатии в колбе. Дизельный двигатель. Конденсация пара, как результат уменьшения температуры при адиабатном расширении.

Показатель адиабаты ДОПОЛНИТЬ

Уравнение состояния имеет вид:

PVγ = const.,

где γ = CP /CV – показатель адиабаты.

Теплоемкость газа зависит от условий его нагревания.

Если газ нагреть при постоянном давлении P, то его теплоемкость обозначается CP.

Если - при постоянном V, то обозначается СV.

УТОЧНИТЬ

НЕОБРАТИМОСТЬ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ

ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ И ЕГО СТАТИСТИЧЕСКОЕ ИСТОЛКОВАНИЕ (уч.10кл.стр.281-283)

Направленность тепловых процессов

Понятие обратимого и необратимого процессов

Понятие самопроизвольного процесса

Формулировка второго закона термодинамики как закона необратимости тепловых процессов в природе

Необратимый процесс на примере диффузии. Определение диффузии

Статистическое истолкование второго закона термодинамики

Первый закон термодинамики не определяет направление тепловых процессов.

Часто процессы, допустимые с точки зрения закона сохранения энергии, не могут быть реализованы в действительности.

Обратимый процесс – процесс, который может происходить как в прямом , так и в обратном направлении.

Если процесс протекает в одном направлении, а затем в обратном, и система возвращается в первоначальное состояние, то никаких изменений не происходит.

Обратимый процесс – это идеализация реального процесса.

Самопроизвольный процесс – процесс, происходящий без воздействия внешних сил.

Необратимый процесс – процесс, обратный которому самопроизвольно не происходит.

Необратимость характерна лишь для макроскопических систем.

Например: процесс теплообмена.

Второй закон термодинамики указывает направление возможных энергетических превращений и тем самым выражает необратимость процессов в природе.

Этот закон был установлен путем непосредственного обобщения опытных фактов.

Второй закон термодинамики

В циклически действующем тепловом двигателе невозможно преобразовать все количество теплоты, получено от нагревателя, в механическую работу.

Важность этого закона состоит в том, что из него можно вывести заключение о необратимости не только процесса теплопередачи, но и других процессов в природе.

Второй закон термодинамики отражает необратимость тепловых процессов в природе.

Например, для сжатия газа, которое не может происходить самопроизвольно, требуется внешняя сила и охлаждение газа.

Необратимым процессом является диффузия.

Диффузия – физическое явление, при котором происходит самопроизвольное взаимное проникновение частиц одного вещества в другое при их контакте.

Второй закон термодинамики, определяя направление перехода между макро состояниями

большого числа частиц, входящих в состав изолированной системы, является статистическим законом.

Статистическое истолкование второго закона термодинамики

Изолированная система самопроизвольно переходит из менее вероятного в более вероятное состояние.

Замкнутая система многих частиц самопроизвольно переходит из более упорядоченного состояния в менее упорядоченное.

Это объясняется тем, что число микросостояний, соответствующих менее упорядоченному состоянию системы, всегда во много раз превышает число микросостояний, соответствующих упорядоченному состоянию.

Так при диффузии газы смешиваются равномерно распределяясь по объему.

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ В ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЯХ
(уч.10кл.стр.275-280,уч.8кл.стр.52-56 )

Определение теплового двигателя

Полная механическая работа теплового двигателя

Условия получения положительной полной механической работы

Необходимое условие для циклического получения работы в тепловом двигателе

КПД теплового двигателя и цикл Карно (см.ниже уч.10кл.)

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43