Все тела состоят из мельчайших частиц, атомов (или ионов) и молекул, т.е. имеют дискретную структуру (т.к. вещества можно делить на части, однако существует предел этому делению (пример: капля масла, растекаясь по поверхности воды, занимает ограниченную площадь, соответствующую толщине слоя в одну молекулу)). Между частицами есть промежутки
Между частицами вещества существуют силы взаимного притяжения и отталкивания (т.к. тела сопротивляются сжатию и растяжению). Две частицы на определенном расстоянии (назовем его размером частиц) находятся в положении равновесия (когда силы притяжения равны силам отталкивания); если увеличить расстояние между частицами – будут преобладать силы притяжения, а если уменьшить – силы отталкивания
Частицы вещества находятся в непрерывном беспорядочном (хаотическом) тепловом движении (о чем свидетельствует броуновское движение)
Микроскопические параметры – физические величины, характеризующие свойства и поведение отдельных микрочастиц вещества
Макроскопические параметры – физические величины, характеризующие свойства и поведение макроскопических тел без учета их молекулярного строения
Молекула – мельчайшая частица вещества, сохраняющая все его микросвойства (вкус, цвет, реакционную способность, и т.д.), т.е. химические свойства. Молекула состоит из атомов. Молекула не обладает макросвойствами вещества (плотность, упругость, вязкость, теплопроводность, электропроводность, и т.д.). Размеры большинства молекул и диаметры всех атомов имеют порядок 10-10м. Массы атомов и молекул имеют порядок 10-26кг
Ион – атом (или молекула), имеющий электрический заряд (т.е. который потерял или приобрел один или несколько электронов)
Броуновское движение – хаотическое движение относительно крупных (по сравнению с размерами молекул среды) частиц, вызванное нескомпенсированными ударами о них молекул среды (что свидетельствует о том, что среда дискретна, и что наименьшие структурные единицы среды находятся в непрерывном хаотическом движении). Эти малые макрочастицы видимы в оптический микроскоп; они находятся во взвешенном состоянии, поскольку со всех сторон испытывают большое количество ударов молекул среды, и сравнительно небольшое количество нескомпенсированных ударов, благодаря которым хаотически перемещаются в разные стороны
Диффузия – процесс взаимного проникновения веществ друг в друга (молекул или атомов одного вещества между молекулами или атомами другого вещества) при их соприкосновении, происходящий вследствие теплового движения молекул. Скорость диффузии увеличивается при увеличении температуры и давления
Осмос (греч. толчок, давление) – процесс односторонней диффузии сквозь полупроницаемую перегородку (мембрану) молекул растворителя в сторону большей концентрации растворенного вещества (через мембрану может проходить растворитель (его молекулы меньше пор мембраны), но не может проходить растворенное вещество (его молекулы больше пор мембраны), поэтому с той стороны мембраны, где концентрация растворенного вещества в растворителе больше, вероятность растворителя пройти через мембрану ниже, чем с той стороны мембраны, где концентрация растворенного вещества в растворителе меньше). В итоге: с той стороны мембраны, где концентрация раствора была больше – она становится меньше, а с той стороны, где была меньше – становится больше. Это происходит до тех пор, пока концентрации не выровняются
Относительная атомная (молекулярная) масса – масса атома (молекулы), отнесенная к одной двенадцатой части массы атома изотопа углерода 12
Число Авогадро – число элементарных структурных единиц вещества (атомов или молекул), равное числу атомов, содержащихся в 12 граммах изотопа углерода 12
1 Моль – количество вещества, в котором содержится число молекул, равное числу Авогадро
Количество вещества – физическая величина, равная количеству молей частиц вещества
Молярная масса – масса одного моля вещества
Температура – мера хаотического движения частиц вещества (чем быстрее движутся частицы вещества, тем теплее вещество), или: мера средней кинетической энергии хаотического движения частиц вещества
Средняя кинетическая энергия частиц – Кинетическая энергия, приходящаяся, в среднем, на одну частицу вещества (отношение общей кинетической энергии всех частиц вещества к количеству частиц)
Средний квадрат скорости частиц – отношение суммы квадратов скоростей всех молекул вещества к количеству молекул
Среднеквадратичная скорость теплового движения частиц – физическая величина, численно равная корню из среднего квадрата скорости частиц
Средняя скорость частиц – отношение суммы абсолютных значений скоростей всех молекул вещества к количеству молекул
Квадрат средней скорости частиц – средняя скорость частиц, возведенная в квадрат
Абсолютная температура (Термодинамическая температура) – физическая величина, прямо пропорциональная средней кинетической энергии частиц вещества. Измеряется в Кельвинах. Абсолютная температура всегда неотрицательна
Абсолютный нуль температуры – абсолютная нижняя граница температуры, при которой движение молекул и атомов должно прекратиться (минимальная теоретически возможная температура (практически недостижима))
Абсолютная шкала температур (шкала Кельвина) – шкала, за нулевую точку которой взят абсолютный нуль температуры
Шкала Цельсия – шкала температур, в которой за ноль принята температура кристаллизации воды (плавления льда), а за 100 принята температура кипения воды (реперные (опорные) точки), при нормальных условиях. Градус по Цельсию равен сотой части изменения температуры воды между реперными точками. Изменение температуры на один градус по Цельсию равно изменению температуры на один градус по Кельвину
Тепловое расширение – твердые тела, жидкости и газы при увеличении температуры расширяются, увеличивают объем (вследствие изменения кинетической энергии их частиц, что влияет на среднее расстояние между частицами), однако некоторые вещества в некотором интервале температур уменьшают объем при нагревании. Твердые тела и жидкости расширяются гораздо меньше, чем газы
Термометр – прибор для измерения температуры
Виды термометров:
жидкостный – при изменении температуры окружающей среды жидкость изменяет объем: мерой температуры является длина столба жидкости
металлический – биметаллическая пластинка, соединенная со стрелкой, изготовлена из двух металлов с различными коэффициентами теплового расширения, поэтому при изменении температуры их расширение различно, что влияет на положение стрелки
электронный – изменение температуры влияет на электрические параметры датчика
жидкокристаллический – использует термохромный эффект жидких кристаллов: от температуры зависит расстояние между слоями молекул, что влияет на длину волны отраженного света (дифракция Брэгга)
Идеальный газ – физическая модель газа, молекулы которого являются материальными точками, не взаимодействующими друг с другом с силами притяжения и отталкивания. Молекулы претерпевают упругие взаимодействия при столкновении друг с другом и со стенками сосуда
Давление – [см. определения механика (механика жидкостей и газов)]. Давление газа – создается ударами молекул о поверхность, контактирующую с газом. Это макропараметр
Парциальное давление – давление, которое оказывал бы газ, входящий в состав газовой смеси, если бы при той же температуре он один занимал бы объем, занимаемый смесью
Объем – [см. определения механика (кинематика)]
Плотность – [см. определения механика (механика жидкостей и газов)]
Нормальные условия (Н.У.) – давление 101,3 кПа (760 мм.рт.ст. нормальная атмосфера), температура 273,15 К (0 °C). При Н.У. моль газа занимает объем 22,4 л
Постоянная Больцмана – коэффициент пропорциональности между средней кинетической энергией и температурой
Универсальная газовая постоянная – коэффициент пропорциональности в уравнении состояния идеального газа
Изопроцессы – процессы в газе, при которых один из макропараметров (давление, объем, температура) остается постоянным
Изотермический процесс (описывается законом Бойля – Мариотта) – процесс изменения состояния данного газа постоянной массы, происходящий при постоянной температуре. Изотерма - линия на графике, соответствующая изотермическому процессу
Изобарический процесс (описывается законом Гей-Люссака) – процесс изменения состояния данного газа постоянной массы, происходящий при постоянном давлении. Изобара - линия на графике, соответствующая изобарическому процессу
Изохорический процесс (описывается законом Шарля) – процесс изменения состояния данного газа постоянной массы, происходящий при постоянном объеме. Изохора - линия на графике, соответствующая изохорическому процессу
Концентрация – физическая величина, численно равная количеству частиц, находящихся в единице объема (отношение количества частиц к объему, в котором они находятся)
Постоянная Больцмана – физическая постоянная, определяющая связь между абсолютной температурой и средней кинетической энергией частиц
Фазы вещества (агрегатные состояния):
твердая – вещество сохраняет форму и объем (расстояния между частицами, сравнимы с размерами самих частиц, поэтому частицы взаимодействуют, а время оседлой жизни частиц около 10с)
жидкая – вещество сохраняет объем, но не сохраняет форму, принимая форму предоставленного ему сосуда (расстояния между частицами, сравнимы с размерами самих частиц, поэтому частицы взаимодействуют, а время осёдлой жизни частиц (см. ниже) около 10-11с)
жидкокристаллическая – вещество ведет себя подобно жидкости (обладает текучестью), однако сохраняется порядок в расположении молекул (обладает анизотропией (см. ниже))
газообразная (газ: греч. хаос) – вещество не сохраняет ни объем ни форму, занимая весь предоставленный ему объем (пример: расстояния между частицами воздуха приблизительно в 10 раз превышают размеры самих частиц, поэтому частицы практически не взаимодействуют)
плазма – частично или полностью ионизированный газ (состоит из заряженных частиц (ионов (преимущественно позитивных) и электронов) и нейтральных атомов и молекул). Плазма проводит электрический ток. Плотность положительных и отрицательных зарядов в плазме практически одинакова. Различают: высокотемпературную (T>=106 К, пример: звезды) и низкотемпературную плазму (Т<106 К, пример: пламя, газоразрядные лампы)
Фазовый переход – изменение агрегатного (фазового) состояния вещества
Водородная связь – межмолекулярная или внутримолекулярная связь между атомом водорода и некоторым атомом (благодаря водородным связям вода способна находиться в жидкой фазе)
Тройная точка – строго определённые значения температуры и давления, при которых вещество может одновременно и равновесно существовать в виде трёх фаз — в твёрдом, жидком и газообразном состояниях
Насыщенный пар – это пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью: сколько молекул вылетело из жидкости в пар, столько и вернулось из пара в жидкость (чем больше плотность пара, тем вероятнее молекулам пара вернуться обратно в жидкость). Чем больше температура жидкости, тем вероятнее молекулам жидкости вылететь из жидкости, поэтому с ростом температуры, плотность насыщенного пара растет
Ненасыщенный пар – пар, плотность (или давление) которого меньше плотности (или давления) пара, при котором он будет находиться в динамическом равновесии со своей жидкостью при данной температуре. Вероятность молекулам жидкости покинуть жидкость - выше, чем вероятность молекулам пара вернуться в жидкость: испарение преобладает над конденсацией (пар стремится увеличить свою плотность и стать насыщенным).
Перенасыщенный пар – пар, плотность (или давление) которого больше плотности (или давления) пара, при котором он будет находиться в динамическом равновесии со своей жидкостью при данной температуре. Вероятность молекулам жидкости покинуть жидкость - ниже, чем вероятность молекулам пара вернуться в жидкость: конденсация преобладает над испарением (пар стремится уменьшить свою плотность и стать насыщенным).
Газ – вещество, находящееся при температуре выше критической
Критическая температура (фазового равновесия) – температура, при которой исчезают различия в физических свойствах жидкости и пара (плотность насыщенного пара максимальна, а плотность жидкости минимальна). Это конечная точка кривой сосуществования фаз: с ростом температуры плотность жидкости снижается, а пара растет, и при некоторой температуре они сравниваются.
Абсолютная влажность воздуха – это физическая величина, характеризующая содержание водяного пара в воздухе, и численно равная фактической плотности водяного пара в воздухе
Относительная влажность воздуха – это физическая величина, показывающая насколько водяной пар в воздухе близок к насыщению, и равная отношению фактической плотности водяного пара к плотности насыщенного водяного пара при данной температуре (или: отношение фактического давления водяного пара к давлению насыщенного водяного пара при данной температуре). Относительную влажность можно выражать в процентах
Точка росы – температура, при которой находящийся в воздухе водяной пар становится насыщенным
Гигрометр – прибор для прямого измерения влажности воздуха (пример: волосяной гигрометр: обезжиренный волос увеличивает свою длину при увеличении влажности воздуха; волос связан со стрелкой)
Психрометр – прибор, по которому определяют влажность воздуха косвенным путем (по психрометрической таблице) по разности показаний сухого и влажного термометра (чем выше влажность воздуха – тем медленнее испаряется вода; вода, испаряясь с влажного термометра, охлаждает его, т.к. из воды с большей вероятностью вылетают быстрые молекулы, в результате чего средняя кинетическая энергия оставшихся молекул (а значит и температура) уменьшается)
Кипение – испарение жидкости по всему ее объему в микропузырьки растворенного в ней воздуха при такой температуре, когда давление насыщенного пара жидкости равно давлению воздуха над поверхностью жидкости (если пренебречь гидростатическим давлением). Жидкость, обычно, содержит растворенный воздух, и при увеличении температуры, его растворимость уменьшается, а излишки газа образуют микропузырьки. При увеличении давления воздуха над поверхностью жидкости, температура кипения увеличивается (это используется, например, в автоклавах - аппаратах для стерилизации мед. инструментов). При уменьшении давления воздуха над поверхностью жидкости, температура кипения уменьшается (это используется, например, при производстве сахара, в увлажнителях воздуха, где вода кипит при температуре окружающей среды)
Температура кипения – температура, при которой жидкость кипит. Во время кипения температура жидкости не изменяется (т.к. общая площадь поверхности, с которой происходит парообразование (внутренняя поверхность пузырьков), очень большая, и интенсивность кипения ограничивается лишь теплотой, подводимой к жидкости извне). Температура кипения зависит от рода жидкости и от внешнего давления
Перегретая жидкость – жидкость, нагретая выше температуры кипения (при данном внешнем давлении), вследствие отсутствия в ней растворенных микропузырьков воздуха (при попадании в неё микропузырьков воздуха, происходит взрывообразное вскипание за счет запасенного в ней тепла). Перегретую воду можно получить при повторном нагревании воды, которую перед этим долго кипятили (таким образом удалив из нее растворенный газ)
Переохлажденная жидкость – жидкость, имеющая температуру ниже температуры кристаллизации при данном внешнем давлении (при отсутствии центров кристаллизации, охлаждая обычную жидкость, можно получить переохлажденную)
Смачивание – физическое взаимодействие жидкости с поверхностью твердого тела (или другой жидкости)
Угол смачивания (краевой угол смачивания) – угол между поверхностью твердого тела и касательной плоскостью к поверхности раздела жидкость-газ, содержащей точку контакта трёх фаз (жидкость-газ-твердое тело)
Жидкость смачивает твердое тело – если молекулы жидкости притягиваются к молекулам (или атомам) твердого тела (адгезия) сильнее, чем молекулы жидкости притягиваются между собой (когезия). Угол смачивания меньше 90°. Поверхность, которую смачивает жидкость, называется лиофильной (гидрофильной, если жидкость – вода)
Жидкость не смачивает твердое тело – если молекулы жидкости притягиваются к молекулам (или атомам) твердого тела (адгезия) слабее, чем молекулы жидкости притягиваются между собой (когезия). Угол смачивания больше 90°. Поверхность, которую не смачивает жидкость, называется лиофобной (гидрофобной, если жидкость – вода)
Полное (абсолютное) смачивание – смачивание, при котором угол смачивания равен нулю
Полное (абсолютное) несмачивание – смачивание, при котором угол смачивания равен 180°
Поверхностная энергия – избыточная потенциальная энергия молекул поверхностного слоя жидкости, которую они получают вследствие нескомпенсированного притяжения к внутренним молекулам жидкости, осуществляя перемещение по направлению к ним (внутренние молекулы, притягивая поверхностные молекулы, совершают над ними работу, что увеличивает потенциальную энергию молекул поверхности)
Поверхностное натяжение – физическая величина, характеризующая данную жидкость, и численно равная удельной потенциальной энергии поверхностного слоя жидкости (численно равна потенциальной энергии единицы площади поверхности жидкости, или: отношению приращения потенциальной энергии приповерхностного слоя к приращению площади поверхности). Поверхностное натяжение зависит от: 1) природы жидкости (у летучих – меньше), 2) температуры жидкости, 3) наличия в составе жидкости ПАВ (поверхностно активных веществ), которые уменьшают поверхностное натяжение, 4) газа над жидкостью
Сила поверхностного натяжения – сила, стремящаяся уменьшить поверхность жидкости (стянуть), поскольку система стремится уменьшить свою потенциальную энергию. Эта сила, направлена по касательной к поверхности жидкости, перпендикулярно участку контура (границы раздела жидкости и твердого тела), на который она действует, и пропорциональна длине этого участка. Поверхностное натяжение численно равно силе поверхностного натяжения, действующей на единицу длины линии, ограничивающей поверхность
Добавочное давление (давление Лапласа) – избыточное давление под мениском (искривленной поверхностью, являющейся частью сферы) жидкости, вызванное поверхностным натяжением жидкости. Избыточное давление может быть положительным, если выпукла, или отрицательным, если вогнута поверхность жидкости
Капилляр (лат. capillaris – волосяной) – узкая трубка, канал произвольной формы (в задачах, обычно, это прямая узкая стеклянная трубка)
Капиллярные явления – явление подъема (в случае смачивания) или опускания (в случае не смачивания) жидкости в капиллярах (узких трубках), пористых телах, и т.п. под действием сил поверхностного натяжения
Изотропия (греч. isos – равный, tropos – направление, свойство) – одинаковость физических свойств среды во всех направлениях внутри этой среды
Анизотропия – различие физических свойств среды в различных направлениях внутри этой среды
Кристаллическая решетка – воображаемая периодическая структура, в узлах которой находятся частицы данного твердого вещества
Узел кристаллической решетки – точка кристаллической решетки, в которой расположена частица (атом или ион)
Трансляция (кристаллической решетки) – параллельный перенос кристаллической решетки, при котором она переходит в себя, причем её произвольный узел переходит в другой ближайший идентичный узел. Три некомпланарные трансляции (т.е. вдоль трех прямых с общей точкой, не лежащих в одной плоскости) задают стороны ячейки кристаллической решетки
Элементарная ячейка кристаллической решетки – параллелепипед минимального объема, построенный на узлах кристаллической решетки, имеющий все особенности кристаллического вещества, параллельные переносы (трансляции) которого в трех измерениях позволяют построить всю кристаллическую решетку
Период кристаллической решетки – расстояние между центрами двух соседних частиц в элементарной ячейке кристаллической решетки
Ближний порядок – упорядоченность во взаимном расположении частиц вещества, повторяющаяся лишь на расстояниях, соизмеримых с расстояниями между частицами
Дальний порядок – упорядоченность во взаимном расположении частиц вещества, повторяющаяся на неограниченно больших расстояниях
Полиморфизм (кристаллов) – способность вещества с одинаковым химическим составом иметь различные структуры кристаллической решетки, называемые полиморфными модификациями (например: алмаз и графит); они имеют различные физические свойства. Полиморфный переход – переход из одной кристаллической структуры в другую
Монокристалл – тело, расположение молекул которого имеет дальний порядок, т.е. кристаллическая решетка остается одинаковой на всем протяжении кристалла. Имеет определенную температуру плавления
Домен – область, в которой структура кристаллической решетки остается неизменной (способна транслироваться на период)
Поликристалл – совокупность хаотично ориентированных доменов из монокристаллов (кристаллитов), слепленных друг с другом. Поликристаллы изотропны
Аморфное тело – тело, расположение молекул в котором не имеет дальнего порядка. Плавление происходит в широком диапазоне температур (при увеличении температуры, они из твердого состояния переходят в вязкое, вязкость постепенно уменьшается)
Механическое напряжение – физическая величина, численно равная силе упругости, действующей на единицу площади сечения тела (отношение силы упругости к площади сечения), и возникающая при деформации тела (т.е. это физическая величина , численно равная силе взаимодействия соседних поперечных слоёв единичного сечения при деформации тела)
Абсолютное удлинение – разность между конечной и начальной длиной деформированного (при растяжении или сжатии) стержня
Относительное удлинение – физическая величина, равная отношению абсолютного удлинения к длине недеформированного стержня
Модуль Юнга (модуль упругости) – коэффициент пропорциональности между механическим напряжением и относительным удлинением в законе Гука. Постоянная величина для данного материала (табличное значение), характеризующая его упругие свойства. Величина, определяемая геометрией кристаллической решетки и физическими свойствами атомов, из которых она состоит
Деформация – изменение формы и/или размеров тела
Виды деформации:
растяжение – вид продольной деформации, при которой увеличивается линейный размер тела по некоторому направлению (расстояние между слоями частиц тела увеличивается)
сжатие – вид продольной деформации, при которой уменьшается линейный размер тела по некоторому направлению (расстояние между слоями частиц тела уменьшается)
сдвиг – вид продольной деформации, при которой слои частиц тела смещаются друг относительно друга на определенное расстояние в своей плоскости
изгиб – вид деформации, при котором слои молекул тела поворачиваются друг относительно друга так, что перпендикуляры к ним остаются в плоскости перпендикулярной слоям (это одновременно и деформация растяжения и деформация сжатия)
кручение – вид деформации, при котором слои частиц тела поворачиваются друг относительно друга на определенный угол в своей плоскости
Пропорциональная деформация – деформация, при которой выполняется закон Гука
Упругая деформация – деформация, исчезающая (т.е. тело принимает начальную форму и размеры) при исчезновении механического напряжения в теле
Неупругая (пластическая) деформация – при исчезновении механического напряжения в теле, тело не принимает первоначальную форму и размеры (остаточная деформация)
Время оседлой жизни молекулы – время, в течение которого молекула или атом твердого вещества перебывают в определенном узле кристаллической решетки (время колебаний около одного определенного положения равновесия)
Диаграмма растяжения материала (диаграмма напряжений) – график зависимости механического напряжения от относительного удлинения
Текучесть материала – увеличение относительного удлинения (по модулю) при неизменном механическом напряжении (деформация продолжает расти без увеличения нагрузки)
Предел пропорциональности – механическое напряжение, выше которого не выполняется закон Гука
Предел упругости – механическое напряжение, выше которого деформация становится неупругой (возникает остаточная (пластическая) деформация). Обычно значение предела упругости выше значения предела пропорциональности
Предел текучести – механическое напряжение, при котором наблюдается текучесть материала. Обычно значение предела текучести выше значения предела упругости
Предел прочности – механическое напряжение, выше которого материал разрушается. Обычно значение предела прочности выше значения предела текучести
Запас прочности – отношение предела прочности к фактическому значению механического напряжения
Упругий материал – материал, проявляющий упругие свойства при сравнительно больших деформациях (пример: резина)
Пластичный материал – материал, проявляющий пластичность при незначительных деформациях (пример: пластилин)
Хрупкий материал – материал, в котором предел прочности достигается при незначительных деформациях (пример: стекло)
Термодинамика
Термодинамика – раздел физики, изучающий наиболее общие свойства макроскопических систем, и способы передачи и превращения энергии в них, оперируя макроскопическими величинами (температура, давление, и т.д)
Система – рассматриваемое вещество. Чаще всего в школьном курсе термодинамики под "системой" следует понимать газ
Внутренняя энергия системы – сумма кинетической энергии теплового движения и потенциальной энергии взаимодействия частиц системы. Если в качестве системы рассматривается газ, то энергией взаимодействия можно пренебречь, и учитывать только кинетическую энергию поступательного и вращательного движения его частиц. Если в качестве системы рассматривается твердое тело или жидкость, то, как правило, изменение температуры слабо влияет на изменение их объема (т.е. на изменение потенциальной энергии частиц системы), поэтому изменение внутренней энергии равно изменению кинетической энергии частиц системы. Однако при изменении агрегатного состояния вещества (твердое, жидкое, газообразное) – изменяется и взаимное расположение частиц, поэтому внутренняя энергия изменяется за счет изменения потенциальной энергии взаимодействия частиц системы. Внутренняя энергия – функция состояния системы, она однозначно определяется основными макроскопическими параметрами, характеризующими систему: давлением, объемом и температурой
Приращение внутренней энергии системы – разность между конечной и начальной внутренней энергией системы
Количество теплоты – скалярная физическая величина, характеризующая обмен внутренней энергией между телами (или частями тела) (т.е. равна энергии, которую тело получает или отдает при теплопередаче (см. ниже))
Количество теплоты переданное системе – количество теплоты, поступившее в систему от внешних тел (оно положительно, если система получает энергию от внешних тел, и отрицательно, если система отдает энергию внешним телам)
Работа в термодинамике – обмен энергией между термодинамической системой и окружающей средой, не связанный с переносом вещества или теплообменом
Работа внешних тел над системой – механическая работа, осуществляемая внешними телами над системой. Она положительна, если приращение объема системы (газа) отрицательно
Работа системы над внешними телами – механическая работа, осуществляемая системой над внешними телами. Она положительна, если приращение объема системы (газа) положительно, и равна по модулю площади под графиком зависимости давления газа от его объема. Работа системы над внешними телами и Работа внешних тел над системой (в одном и том же процессе) равны по модулю и противоположны по знаку
Способы изменения внутренней энергии системы:
осуществляя над системой работу
путем передачи системе количества теплоты (теплопередача)
Первое начало термодинамики (это закон сохранения энергии, записанный для тепловых процессов):
Увеличение внутренней энергии системы происходит за счет передачи системе количества теплоты и за счет работы, совершаемой над системой внешними телами
Количество теплоты, переданное системе, идет на повышение внутренней энергии системы и на совершение системой работы над внешними телами
Необратимость тепловых процессов – многие процессы могут протекать только в одном направлении. Необратимый процесс – процесс, который нельзя провести в обратном направлении через те же промежуточные состояния. Процесс всегда идет в направлении повышения количества возможных вариантов реализации состояния системы (пример: 1) газу вероятнее заполнить весь объем, чем часть этого объема; 2) вероятнее, что быстрые молекулы, столкнувшись с медленными, передадут им часть своей энергии)
Второе начало термодинамики:
[Клаузиус]:Теплота не может переходить сама собой от менее теплого тела к более тёплому
[Томсон (Кельвин)]:невозможен периодический процесс, единственным результатом которого является получение системой теплоты от одного источника (теплового резервуара) и выполнение ею эквивалентного количества работы (вечный двигатель второго рода невозможен)
[Больцман]: система стремится к наиболее вероятному состоянию; самопроизвольно протекают только те процессы, в которых система из менее вероятного состояния переходит в более вероятное
Вечный двигатель второго рода – Механизм, осуществляющий работу только за счет охлаждения некоторого тела
Теплопередача (теплообмен) – физический процесс изменения внутренней энергии тела без совершения работы (процесс передачи тепловой энергии от более теплого тела к менее теплому)
Виды теплопередачи (теплообмена)(механизм переноса теплоты зависит от агрегатного состояния вещества):
теплопроводность – вид теплопередачи, при котором тепловая энергия передается от более нагретых тел (или частей тела) к менее нагретым при их непосредственном контакте и не сопровождается переносом вещества (при взаимодействии большого количества быстрых (тёплых) частиц с большим количеством медленных (холодных) частиц, более вероятен процесс, при котором общая энергия быстрых уменьшится, а медленных увеличится). Лучше всего проводят тепло металлы, хуже всего газы.
конвекция – вид теплопередачи, при котором тепловая энергия передается потоками жидкости или газа (природная конвекция: плотность теплого вещества меньше чем холодного, и в гравитационном поле теплое вещество движется вверх под действием силы Архимеда, а холодное вниз; принудительная конвекция: искусственное перемешивание)
тепловое излучение – вид теплопередачи, при котором энергия передается при помощи лучей (электромагнитных волн). Темные тела лучше поглощают и излучают тепло. Излучение осуществляется всеми телами, оно может передаваться через вакуум
Нагревание – увеличение температуры вещества без фазового перехода
Охлаждение – уменьшение температуры вещества без фазового перехода
Плавление – процесс перехода вещества из твердого состояния в жидкое
Температура плавления – температура, при которой твердое кристаллическое вещество плавится. При плавлении кристаллического вещества температура остается неизменной. Внутренняя энергия вещества в жидком состоянии больше внутренней энергии этого вещества в твердом состоянии
Кристаллизация – процесс перехода вещества из жидкого состояния в твердое кристаллическое. При кристаллизации вещества температура остается неизменной (конкретная для данного вещества). Температура кристаллизации равна температуре плавления
Сублимация – процесс перехода вещества из твердого состояния сразу в парообразное (минуя жидкую фазу)
Десублимация – процесс перехода вещества из парообразного состояния сразу в твердое (минуя жидкую фазу)
Парообразование – процесс перехода вещества из жидкого состояния в парообразное
Испарение – процесс парообразования со свободной поверхности жидкости (из-за наличия в веществе быстрых частиц, испарение может происходить в широком интервале температур; испаряются преимущественно быстрые частицы, что уменьшает среднюю кинетическую энергию частиц (т.е. температуру вещества)). Испаряющаяся молекула, затрачивает часть своей энергии на преодоление сил молекулярного притяжения (разрыв межмолекулярных связей) и сил внешнего давления, поэтому для испарения, она должна забрать с собой дополнительную энергию. Испарение зависит от рода жидкости, ее температуры (чем выше температура – тем интенсивнее испарение), площади ее свободной поверхности, от движения воздуха над свободной поверхностью
Конденсация – процесс перехода вещества из парообразного состояния в жидкое или твердое. Конденсирующаяся частица – притягивается частицами вещества, что увеличивает ее кинетическую энергию, поэтому конденсация происходит с выделением теплоты
Удельная теплоемкость – физическая величина, характеризующая вещество, и численно равная количеству теплоты, которое необходимо передать 1 кг вещества для нагревания его на 1К
Теплоемкость тела – произведение удельной теплоемкости и массы тела
Удельная теплота плавления (кристаллизации) – физическая величина, характеризующая вещество, и численно равная количеству теплоты, которое необходимо передать 1 кг твердого кристаллического вещества, находящегося при температуре плавления, для того, чтобы его расплавить (или: физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое необходимо забрать у 1 кг расплава, находящегося при температуре плавления, для того, чтобы его кристаллизовать)
Удельная теплота парообразования (конденсации) – физическая величина, характеризующая вещество, и численно равная количеству теплоты, которое нужно передать 1 кг жидкости чтобы при неизменной температуре превратить её в пар (или: физическая величина, характеризующая вещество, и численно равная количеству теплоты, которое нужно отобрать у 1 кг пара, чтобы при неизменной температуре его сконденсировать)
Удельная теплота сгорания – физическая величина, характеризующая вещество, и численно равная количеству теплоты, которое выделяется при сгорании 1 кг вещества
Тепловой баланс (для замкнутой системы, в которой внутренняя энергия изменяется только вследствие теплопередачи): общее количество теплоты, отданное одной совокупностью тел (или частей системы) равно общему количеству теплоты, полученному другой совокупностью тел (или частей системы)
Тепловое равновесие (термодинамическое равновесие) – состояние замкнутой макроскопической системы (а также любой из ее частей), при котором остаются неизменными во времени её макроскопические параметры (температура, давление, объем, и т.д.), т.е. не происходит передача количества теплоты из одной части системы в другую
Температура (в термодинамическом смысле) – физическая величина, характеризующая состояние теплового равновесия макроскопической системы тел
Нулевое начало термодинамики – любое макроскопическое тело (или система тел) при неизменных внешних условиях самостоятельно переходит в состояние теплового равновесия, после достижения которого все части системы имеют одинаковую температуру (однако другие макроскопические параметры (давление, плотность, объем, и т.д.) могут быть различными)
Калориметр – прибор для измерения количества теплоты, выделяющейся или поглощающейся в некотором физическом процессе
Адиабатический процесс – процесс без теплообмена с окружающей средой (т.е. внешними телами). Адиабата - кривая на графике, соответствующая адиабатическому процессу
Цикл тепловой машины – процесс, в котором машина проходит ряд состояний, и возвращается в начальное состояние; далее процесс повторяется (цикл – круговой процесс). Графически цикл представляет собой замкнутый контур
Обратимый цикл – цикл, в котором тепловая машина проходит тот же ряд состояний, что и в прямом цикле, только в обратном порядке (т.е. который можно запустить в обратную сторону по тому же контуру, что и прямой)
Равновесный процесс – процесс, в котором система в любом состоянии находится в равновесии (т.е. в любом состоянии процесс можно остановить)
Релаксация – процесс установления термодинамического (т.е. и статистического) равновесия в физической системе, состоящей из большого числа частиц
Тепловая машина – это система, состоящая из 1) рабочего тела (газа, выполняющего работу в процессе своего расширения), 2) нагревателя и 3) холодильника, которая посредством рабочего тела превращает в механическую работу часть количества теплоты, подводимой от нагревателя, а оставшуюся часть теплоты рабочее тело передает холодильнику
Тепловой двигатель – это тепловая машина, преобразующая энергию, выделяющуюся при сгорании топлива в механическую работу
Паровая турбина (turbo – вихрь) – паровой тепловой двигатель, в котором в качестве рабочего тела используется пар, получаемый при нагревании воды в паровых котлах до температуры около 600 °С (энергия, выделяющаяся при сгорании топлива, идет на образование пара и его нагревание, после чего пар, расширяясь, выполняет механическую работу)
Газовая турбина (turbo – вихрь) – тепловой двигатель, в котором в качестве рабочего тела используется сжатый или нагретый газ, энергия которого преобразуется в механическую работу (состоит из ротора и статора (соплового аппарата))
Двигатель внутреннего сгорания – тепловой двигатель, при работе которого топливо сгорает внутри его цилиндров (нагреватель: горящая смесь, рабочее тело: разогретые газы, холодильник: окружающая среда). Состоит из: 1) цилиндра, 2) поршня (который передвигается в цилиндре), 3) шатуна (закрепленного шарнирно в середине поршня), 4) коленчатого вала (соединенного с шатуном, и обеспечивающего вращение колес транспортного средства), 5) впускного клапана (обеспечивающего подачу в цилиндр зажигательной смеси из воздуха с бензином или горючим газом), 6) выпускного клапана (выбрасывающего отработанные газы), 7) свечи зажигания (для воспламенения в некоторых двигателях (кроме дизельного) зажигательной смеси электрической искрой). Работает по четырехтактной схеме: 1) всасывание (смеси через впускной клапан, при движении поршня вниз), 2) сжатие (поршень движется вверх, и в крайнем положении проскакивает искра), 3) рабочий ход (разогретые газы толкают поршень вниз), 4) выпускание (поршень движется вверх через выпускной клапан выбрасываются отработанные газы, передавая некоторое тепло окружающей среде)
КПД тепловой машины – это физическая величина, характеризующая экономичность тепловой машины, и численно равна отношению работы, совершаемой за цикл рабочим телом к количеству теплоты, полученному за цикл рабочим телом от нагревателя (т.е. какая часть энергии, полученной от нагревателя, идет на совершение работы); он всегда меньше единицы. Максимально возможное значение КПД достигается у тепловой машины, работающей по циклу Карно. КПД двигателя внутреннего сгорания: около 20–25%; КПД дизельного двигателя: около 40%
Цикл Карно – цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат
КПД обратимого процесса – одинаков у всех тепловых машин, осуществляющих обратимый процесс, и работающих от данного нагревателя и холодильника. Также: КПД машины, осуществляющей обратимый процесс больше чем КПД машины, осуществляющей необратимый процесс, если они работают от данного нагревателя и холодильника
Идеальная тепловая машина – тепловая машина, работающая по циклу Карно
Холодильная установка – машина, работающая по циклу, в котором она отбирает теплоту у менее нагретого тела, и отдает теплоту более нагретому телу (такой процесс осуществляется за счет того, что над рабочим телом внешние силы производят работу), цель которой – отобрать тепло у холодильника
КПД холодильной установки – отношение количества теплоты, которое она отобрала у холодильника к работе, которую осуществили над установкой внешние тела
Тепловой насос – машина, работающая по циклу, в котором она отбирает теплоту у менее нагретого тела, и отдает теплоту более нагретому телу (такой процесс осуществляется за счет того, что над рабочим телом внешние силы производят работу), цель которой – передать тепло нагревателю
КПД теплового насоса – отношение количества теплоты, которое тепловой насос передал нагревателю к работе, которую осуществили над ним внешние тела. КПД теплового насоса всегда больше единицы (т.е. он всегда эффективнее электрообогревателя)
Экологические последствия использования тепловых машин:
вредные выбросы в атмосферу
сжигание кислорода
выброс оксида углерода (и другие вредные выбросы в атмосферу)
парниковый эффект (повышение температуры нижних слоёв атмосферы планеты по сравнению с эффективной температурой, то есть температурой теплового излучения планеты, наблюдаемого из космоса)
Борьба с загрязнением окружающей среды:
уменьшение общей мощности тепловых машин (изготовление энергосберегающих устройств)
уменьшение вредных выбросов в атмосферу (использование фильтров, усовершенствование двигателей, удаление из бензина вредных соединений свинца)
использование альтернативных источников энергии (например: гидроэлектростанций, атомных электростанций, ветрогенераторов, солнечных батарей) и гибридных автомобилей (с электрическим и тепловым двигателем)
