Как да променим вътрешната енергия на тялото. Вътрешна енергия. Работата и преносът на топлина като начини за промяна на вътрешната енергия на тялото. Законът за запазване на енергията при топлинни процеси

Вътрешната енергия може да се промени по два начина.

Ако се извършва работа върху тяло, неговата вътрешна енергия се увеличава.

Ако работата се извършва от самото тяло, вътрешната му енергия намалява.

Общо има три прости (елементарни) вида топлопренос:

Топлопроводимост

· Конвекция

Конвекцията е явлението на пренос на топлина в течности или газове, или гранулирани среди чрез потоци от материя. Има т.нар. естествена конвекция, която възниква спонтанно в вещество, когато то се нагрява неравномерно в гравитационно поле. При такава конвекция долните слоеве на материята се нагряват, стават по-леки и плуват, докато горните слоеве, напротив, се охлаждат, стават по-тежки и потъват, след което процесът се повтаря отново и отново.

Топлинното излъчване или радиация е пренос на енергия от едно тяло на друго под формата на електромагнитни вълни, дължащо се на тяхната топлинна енергия.

Вътрешна енергия на идеален газ

Въз основа на определението за идеален газ, в него няма потенциален компонент на вътрешната енергия (няма сили на взаимодействие на молекулите, с изключение на удар). Така вътрешната енергия на идеалния газ е само кинетичната енергия на движението на неговите молекули. По-рано (уравнение 2.10) беше показано, че кинетичната енергия на транслационното движение на газовите молекули е право пропорционална на неговата абсолютна температура.

Използвайки израза за универсалната газова константа (4.6), може да се определи стойността на константата α.

По този начин кинетичната енергия на транслационното движение на една молекула от идеален газ ще бъде определена от израза.

В съответствие с кинетичната теория разпределението на енергията по степени на свобода е равномерно. Транслационното движение има 3 степени на свобода. Следователно една степен на свобода на движение на газова молекула ще представлява 1/3 от нейната кинетична енергия.

За две, три и многоатомни газови молекули, освен степените на свобода на транслационното движение, има степени на свобода на въртеливото движение на молекулата. За двуатомни газови молекули броят на степените на свобода на въртеливо движение е 2, за три и многоатомни молекули - 3.

Тъй като разпределението на енергията на движение на молекула по всички степени на свобода е равномерно и броят на молекулите в един киломол газ е Nμ, вътрешната енергия на един киломол идеален газ може да се получи чрез умножаване на израза ( 4.11) по броя на молекулите в един киломол и по броя на степените на свобода на движение на молекула на даден газ.

където Uμ е вътрешната енергия на киломол газ в J/kmol, i е броят на степените на свобода на движение на газова молекула.

За 1 - атомен газ i = 3, за 2 - атомен газ i = 5, за 3 - атомни и многоатомни газове i = 6.

Електричество. Условия за съществуване на електрически ток. ЕМП. Законът на Ом за пълна верига. Работа и текуща мощност. Закон на Джоул-Ленц.

Сред условията, необходими за съществуването на електрически ток, са: наличието на свободни електрически заряди в околната среда и създаване на електрическо поле в околната среда. Електрическото поле в средата е необходимо за създаване на насочено движение на свободни заряди. Както е известно, заряд q в електрическо поле със сила E се влияе от сила F = qE, която принуждава свободните заряди да се движат в посока на електрическото поле. Признак за наличието на електрическо поле в проводника е наличието на ненулева потенциална разлика между всякакви две точки на проводника.

Електрическите сили обаче не могат да поддържат електрически ток за дълго време. Насоченото движение на електрическите заряди след известно време води до изравняване на потенциалите в краищата на проводника и следователно до изчезване на електрическото поле в него. За да се поддържа токът в електрическата верига, зарядите, в допълнение към кулоновите сили, трябва да бъдат повлияни от неелектрически сили (външни сили). Устройство, което създава външни сили, поддържа потенциална разлика във веригата и преобразува различни видове енергия в електрическа енергия, се нарича източник на ток.

Условия за съществуване на електрически ток:

Наличието на безплатни носители на зареждане

наличието на потенциална разлика. това са условията за възникване на ток. за да съществува течението

затворена верига

източник на външни сили, който поддържа потенциална разлика.

Всички сили, действащи върху електрически заредени частици, с изключение на електростатичните (кулонови) сили, се наричат външни сили.

Електродвижеща сила.

Електродвижещата сила (ЕДС) е скаларна физическа величина, която характеризира работата на външни (непотенциални) сили в източници на постоянен или променлив ток. В затворена проводяща верига ЕДС е равна на работата на тези сили при преместване на единичен положителен заряд по веригата.

Единицата за EMF, подобно на напрежението, е волтът. Можем да говорим за електродвижещата сила във всяка част от веригата. Електродвижещата сила на галваничния елемент е числено равна на работата на външните сили при преместване на единичен положителен заряд вътре в клетката от отрицателния полюс към положителния. Знакът на ЕМП се определя в зависимост от произволно избраната посока на заобикаляне на този участък от веригата, на който е включен дадения източник на ток.

Законът на Ом за пълна верига.

Помислете за най-простата цялостна верига, състояща се от източник на ток и резистор със съпротивление R. Токов източник с EMF ε има съпротивление r, то се нарича вътрешно съпротивление на източника на ток. За да получим закона на Ом за пълна верига, използваме закона за запазване на енергията.

Нека заряд q премине през напречното сечение на проводника за време Δt. Тогава, според формулата, работата на външните сили при преместване на заряда q е равна на . От определението за сила на тока имаме: q = IΔt. Следователно, .

Поради работата на външни сили по време на преминаването на ток във веригата, в нейните външни и вътрешни участъци на веригата се отделя количество топлина, съгласно закона на Джоул-Ленц равна на:

Съгласно закона за запазване на енергията A st \u003d Q, следователно, ЕМП на източника на ток е равна на сумата от спада на напрежението във външните и вътрешните секции на веригата.

Урок по физика в 8. клас на тема: "Вътрешна енергия. Начини за промяна на вътрешната енергия"

Цели на урока:

Формиране на концепцията за "вътрешна енергия на тялото" на базата на МКТ на структурата на материята.
Запознаване с начини за промяна на вътрешната енергия на тялото.
Формиране на концепцията за "пренос на топлина" и способност за прилагане на знанията на MKT за структурата на материята при обяснение на топлинни явления.
Развитие на интереса към физиката чрез демонстриране на интересни примери за проява на топлинни явления в природата и техниката.
Обосновка на необходимостта от изследване на топлинните явления за прилагане на тези знания в ежедневието.
Развитие на информационни и комуникационни компетенции на учениците.

Тип урок. Комбиниран урок.

Тип урок. Урок - презентация

Формуляр за урок.Интерактивен разговор, демонстрационен експеримент, разказване на истории, самообучение

Форми на ученическа работа.Колективна работа, индивидуална работа, работа в групи.

Оборудване: електронна презентация „Вътрешна енергия. Начини за промяна на вътрешната енергия”, компютър, проектор.

По време на занятията

Организиране на времето.Добър ден! Днес в урока ще се запознаем с друг вид енергия, ще разберем от какво зависи и как може да се промени.

Актуализация на знанията.

Повторение на основни понятия: енергия, кинетична и потенциална енергия, механична работа.

Изучаване на нов материал.

учител . В допълнение към горните понятия, трябва да се помни, че два видамеханична енергиямогат да се превръщат (преминават) един в друг, например, когато тялото падне. Помислете за свободно падаща топка. Очевидно при падане височината му над повърхността намалява, а скоростта му се увеличава, което означава, че потенциалната му енергия намалява, а кинетичната му енергия се увеличава. Трябва да се разбере, че тези два процеса не протичат поотделно, те са взаимосвързани и се казва, чепотенциалната енергия се превръща в кинетична.

За да разберем каква е вътрешната енергия на тялото, е необходимо да се отговори на следния въпрос, от какво се състоят всички тела?

Студенти . Телата са изградени от частици, които постоянно се движат произволно и взаимодействат помежду си.

учител . И ако те се движат и взаимодействат, тогава те имат кинетична и потенциална енергия, които съставляват вътрешната енергия.

Студенти. Оказва се, че всички тела имат еднаква вътрешна енергия, което означава, че температурата трябва да е еднаква. И това не е така.

учител. Разбира се, че не. Телата имат различна вътрешна енергия и ние ще се опитаме да разберем от какво зависи вътрешната енергия на тялото и от какво не зависи.

Определение.

Кинетична енергиядвижението на частиците ипотенциална енергиятехните взаимодействия савътрешна енергия на тялото.

Вътрешната енергия еи се измерва, както всички други видове енергия, в J (джаули).

Следователно имаме формула за вътрешната енергия на тялото:. Къде под се разбира като кинетичната енергия на частиците на тялото, а поде тяхната потенциална енергия.

Припомнете си предишния урок, в който говорихме за факта, че движението на частиците на тялото характеризира неговата температура, от друга страна, вътрешната енергия на тялото е свързана с естеството (активността) на движението на частиците. Следователно вътрешната енергия и температурата са взаимосвързани понятия. При повишаване на телесната температура вътрешната му енергия също се увеличава, а при понижаване намалява.

Открихме, че вътрешната енергия на тялото може да се променя. Помислете за начини за промяна на вътрешната енергия на тялото.

Вече сте запознати с понятието механична работа на тялото, тя се свързва с движението на тялото, когато върху него се приложи определена сила. Ако се извършва механична работа, тогава енергията на тялото се променя и същото може да се каже конкретно за вътрешната енергия на тялото. Удобно е това да се изобрази на диаграма:

учител Методът за увеличаване на вътрешната енергия на тялото по време на триене е познат на хората от древни времена. Ето как хората запалиха огън. Работейки в работилници, например струговане на детайли с пила, какво може да се наблюдава? (Загрети части). Когато на човек му е студено, той започва неволно да трепери. Защо мислиш? (Треперенето причинява мускулни контракции. Благодарение на работата на мускулите, вътрешната енергия на тялото се увеличава, става по-топло). Какъв извод може да се направи от казаното?

Студенти . Вътрешната енергия на тялото се променя при извършване на работа. Ако самото тяло върши работа, вътрешната му енергия намалява, а ако се работи върху него, тогава вътрешната му енергия се увеличава.

учител . В технологиите, индустрията, ежедневната практика се сблъскваме непрекъснато с промяна във вътрешната енергия на тялото при извършване на работа: нагряване на телата при коване, при удар; работа със сгъстен въздух или пара.

Нека си починем и в същото време да научим някои интересни факти от историята на термичните явления (двама ученици правят кратки презентации, подготвени предварително).

Съобщение 1. Как се случиха чудеса?

Древногръцкият механик Херон от Александрия, изобретателят на фонтана, който носи неговото име, ни остави описание на два гениални начина, по които египетските жреци заблуждават хората, вдъхновявайки ги да вярват в чудеса.
На фигура 1 виждате кух метален олтар, а под него има механизъм, скрит в подземието, който привежда вратите на храма в движение. Олтарът стоеше отвън. Когато се запали огън, въздухът вътре в олтара, поради нагряването, притиска по-силно водата в съда, скрит под пода; водата се измества от съда през тръба и се излива в кофа, която, спускайки се, задейства механизъм, който завърта вратите (фиг. 2). Изумените зрители, без да знаят за инсталацията, скрита под пода, виждат „чудо” пред себе си: щом огънят пламне на олтара, вратите на храма, „чувайки молитвите на свещеника”, се разтварят сякаш от тях ...

Разкриване на „чудото” на египетските жреци: вратите на храма се отварят от действието на жертвения огън.

Съобщение 2. Как се случиха чудеса?

Друго въображаемо чудо, уредено от жреците, е изобразено на фиг. 3. Когато пламъкът пламне върху олтара, въздухът, разширявайки се, отвежда маслото от долния резервоар в тръбичките, скрити вътре в фигурите на жреците, и след това маслото по чудо се излива в огъня... Но веднага щом свещеникът, който отговаря за този олтар, изважда тихомълком резервоара за тапа - и изливането на масло спря (защото излишният въздух свободно излизаше през дупката); жреците прибягват до този трик, когато приносът на богомолците е твърде оскъден.

учител. Всички знаем сутрешния чай! Толкова е хубаво да си направите чай, да изсипете захар в чаша и да пиете по малко, с малка лъжица. Само едно нещо е лошо - лъжицата е твърде гореща! Какво стана с лъжицата? Защо температурата й се повиши? Защо вътрешната й енергия се увеличи? Работихме ли по него?

Студенти . Не, не го направиха.

учител . Нека да разберем защо е имало промяна във вътрешната енергия.

Първоначално температурата на водата е по-висока от температурата на лъжицата и следователно скоростта на водните молекули е по-голяма. Това означава, че водните молекули имат повече кинетична енергия от металните частици, от които е направена лъжицата. При сблъсък с метални частици водните молекули пренасят част от енергията си към тях и кинетичната енергия на металните частици се увеличава, а кинетичната енергия на водните молекули намалява. Този начин за промяна на вътрешната енергия на телата се наричапренос на топлина . В ежедневието си често се сблъскваме с това явление. Например във водата, когато лежите на земята или в снега, тялото се охлажда, което може да доведе до настинка или измръзване. При силна слана патиците охотно се изкачват във водата. Защо мислиш? (При силна слана температурата на водата е много по-висока от температурата на околната среда, така че птицата ще се охлажда по-малко във водата, отколкото във въздуха).Преносът на топлина се извършва по няколко начина, но ще говорим за това в следващия урок.

По този начин са възможни два начина за промяна на вътрешната енергия. Който?

Студенти . Извършена работа и пренос на топлина.

Затвърдяване на изучавания материал.Сега да видим колко добре научихте новия материал от днешния урок.. Аз ще задавам въпроси, а вие ще се опитате да им отговорите.

Въпрос 1 . В едната чаша се налива студена вода, в другата се налива същото количество вряща вода. Кое стъкло има повече вътрешна енергия? (Във втория, защото температурата му е по-висока).

Въпрос 2. Две медни пръчки имат еднаква температура, но масата на едната е 1 кг, а на другата е 0,5 кг. Коя от двете дадени ленти има повече вътрешна енергия? (Първо, защото масата му е по-голяма).

Въпрос 3. Чукът се нагрява, когато се удари, например, върху наковалня и когато лежи на слънце в горещ летен ден. Назовете начините за промяна на вътрешната енергия на чука и в двата случая. (В първия случай се извършва работа, а във втория - пренос на топлина).

Въпрос 4 . Водата се налива в метална чаша. Кое от следните действия променя вътрешната енергия на водата? (13)

Загряване на вода на гореща печка.
Извършване на работа върху вода, привеждане в транслационно движение заедно с чашата.
Правене на работа върху вода чрез смесване с миксер.

учител . И сега ви предлагам да работите сами. (Учениците са разделени на 6 групи, като по-нататъшната работа ще се извършва в групи). Пред вас има лист хартия с три задачи.

Упражнение 1. Каква е причината за промяната във вътрешната енергия на телата при следните явления:

загряване на вода с бойлер;
охлаждане на храна, поставена в хладилник;
запалване на кибрит при удар от него върху кутията;
силно нагряване и изгаряне на изкуствени спътници на земята, когато те навлизат в по-ниските плътни слоеве на атмосферата;
ако бързо огънете жицата на едно и също място, след това в една посока, след това в другата посока, тогава това място става много горещо;
готвейки храна;
ако бързо се плъзнете надолу по стълб или въже, можете да изгорите ръцете си;
загряване на водата в басейна в горещ летен ден;
при забиване на пирон шапката му се нагрява;
Кибрит се запалва, когато се постави в пламък на свещ.

За две групи - по време на триене; другите две групи - на удар и още две групи - на компресия.

Отражение.

Какви нови, интересни неща научихте на урока днес?
Как получихте материала, който научихте?
Какви бяха трудностите? Успяхте ли да ги преодолеете?
Ще ви бъдат ли полезни знанията, придобити в урока днес?

Обобщаване на урока.Днес се запознахме с основните понятия от раздел "Топлинни явления" вътрешна енергия и топлопренос и се запознахме с методите за промяна на вътрешната енергия на телата. Получените знания ще ви помогнат да обясните и предвидите хода на топлинните процеси, които ще срещнете в живота си.

Домашна работа. § 2, 3. Експериментални задачи:

Измерете температурата на водата, излята в буркан или бутилка с домашен термометър.
Затворете плътно съда и го разклатете енергично за 10-15 минути, след което отново измерете температурата.
За да предотвратите преноса на топлина от ръцете си, сложете ръкавици или увийте съда в кърпа.
Какъв метод за промяна на вътрешната енергия използвахте? Обяснете.
Вземете гумена лента, завързана с пръстен, поставете лентата на челото си и отбележете нейната температура. Като държите гумата с пръсти, енергично разтегнете няколко пъти и в разтегната форма я натиснете отново към челото. Направете заключение за температурата и причините, довели до промяната.

Визуализация:

За да използвате визуализацията на презентации, създайте акаунт в Google (акаунт) и влезте:

Според MKT всички вещества са съставени от частици, които са в непрекъснато топлинно движение и взаимодействат помежду си. Следователно, дори тялото да е неподвижно и да има нулева потенциална енергия, то има енергия (вътрешна енергия), която е общата енергия на движението и взаимодействието на микрочастиците, които изграждат тялото. Съставът на вътрешната енергия включва:

кинетична енергия на транслационно, въртеливо и вибрационно движение на молекулите;
потенциална енергия на взаимодействие на атоми и молекули;
вътрешноатомна и вътрешноядрена енергия.

В термодинамиката се разглеждат процеси при температури, при които не се възбужда осцилаторното движение на атомите в молекулите, т.е. при температури не по-високи от 1000 К. При тези процеси се изменят само първите два компонента на вътрешната енергия. Ето защо

под вътрешна енергияв термодинамиката те разбират сумата от кинетичната енергия на всички молекули и атоми на едно тяло и потенциалната енергия на тяхното взаимодействие.

Вътрешната енергия на тялото определя термичното му състояние и се променя при прехода от едно състояние в друго. В дадено състояние тялото има добре дефинирана вътрешна енергия, независима от процеса, в резултат на който е преминало в това състояние. Следователно вътрешната енергия много често се нарича функция на състоянието на тялото.

\(~U = \dfrac (i)(2) \cdot \dfrac (m)(M) \cdot R \cdot T,\)

където и- степен на свобода. За едноатомен газ (например инертни газове) и= 3, за двуатомни - и = 5.

От тези формули се вижда, че вътрешната енергия на идеалния газ зависи само от температурата и броя на молекулитеи не зависи от обема или налягането. Следователно промяната във вътрешната енергия на идеалния газ се определя само от промяната в неговата температура и не зависи от естеството на процеса, при който газът преминава от едно състояние в друго:

\(~\Delta U = U_2 - U_1 = \dfrac (i)(2) \cdot \dfrac(m)(M) \cdot R \cdot \Delta T ,\)

където ∆ T = T 2 - T 1 .

Молекулите на реалните газове взаимодействат помежду си и следователно имат потенциална енергия У p , което зависи от разстоянието между молекулите и следователно от обема, зает от газа. По този начин вътрешната енергия на реалния газ зависи от неговата температура, обем и молекулярна структура.

*Извеждане на формулата

Средна кинетична енергия на молекула \(~\left\langle W_k \right\rangle = \dfrac (i)(2) \cdot k \cdot T\).

Броят на молекулите в газа \(~N = \dfrac (m)(M) \cdot N_A\).

Следователно вътрешната енергия на идеалния газ

\(~U = N \cdot \left\langle W_k \right\rangle = \dfrac (m)(M) \cdot N_A \cdot \dfrac (i)(2) \cdot k \cdot T .\)

Предвид това k⋅N A= Ре универсалната газова константа, която имаме

\(~U = \dfrac (i)(2) \cdot \dfrac (m)(M) \cdot R \cdot T\) е вътрешната енергия на идеален газ.

Промяна във вътрешната енергия

За решаване на практически въпроси не самата вътрешна енергия играе значителна роля, а нейната промяна Δ У = У 2 - Уедин . Промяната във вътрешната енергия се изчислява въз основа на законите за запазване на енергията.

Вътрешната енергия на тялото може да се промени по два начина:

При направата механична работа. а) Ако външна сила причини деформация на тялото, тогава разстоянията между частиците, от които се състои, се променят и следователно се променя потенциалната енергия на взаимодействието на частиците. При нееластични деформации освен това се променя температурата на тялото, т.е. кинетичната енергия на топлинното движение на частиците се променя. Но когато тялото се деформира, се извършва работа, която е мярка за промяната във вътрешната енергия на тялото. б) Вътрешната енергия на едно тяло също се променя при нееластичния му сблъсък с друго тяло. Както видяхме по-рано, по време на нееластичен сблъсък на телата, тяхната кинетична енергия намалява, тя се превръща във вътрешна енергия (например, ако ударите с чук няколко пъти тел, лежащ върху наковалня, жицата ще се нагрее). Мярката за промяна в кинетичната енергия на тялото според теоремата за кинетичната енергия е работата на действащите сили. Тази работа може да служи и като мярка за промените във вътрешната енергия. в) Промяната на вътрешната енергия на тялото настъпва под действието на силата на триене, тъй като, както е известно от опита, триенето винаги е придружено от промяна в температурата на триещите се тела. Работата на силата на триене може да служи като мярка за промяната на вътрешната енергия.
С помощ пренос на топлина. Например, ако тялото се постави в пламък на горелка, температурата му ще се промени и следователно ще се промени и вътрешната му енергия. Тук обаче не се работи, защото нямаше видимо движение нито на самото тяло, нито на неговите части.

Промяната във вътрешната енергия на система без извършване на работа се нарича топлообмен(пренос на топлина).

Има три вида пренос на топлина: проводимост, конвекция и излъчване.

а) топлопроводимосте процесът на топлообмен между телата (или части на тялото) при техния директен контакт, дължащ се на термичното хаотично движение на частиците на тялото. Амплитудата на трептенията на молекулите на твърдо тяло е по-голяма, колкото по-висока е неговата температура. Топлопроводимостта на газовете се дължи на обмена на енергия между молекулите на газа по време на техните сблъсъци. При течности работят и двата механизма. Топлопроводимостта на веществото е максимална в твърдо състояние и минимална в газообразно състояние.

б) Конвекцияе пренос на топлина чрез нагрети потоци течност или газ от една част от обема, който заемат, към друга.

в) Пренос на топлина при радиацияизвършва се на разстояние с помощта на електромагнитни вълни.

Нека разгледаме по-подробно как да променим вътрешната енергия.

механична работа

Когато се разглеждат термодинамичните процеси, механичното движение на макротелата като цяло не се взема предвид. Концепцията за работа тук е свързана с промяна в обема на тялото, т.е. движещи се части на макротялото една спрямо друга. Този процес води до промяна на разстоянието между частиците, а също и често до промяна в скоростта на тяхното движение, следователно до промяна във вътрешната енергия на тялото.

изобарен процес

Помислете първо за изобарния процес. Нека има газ в цилиндър с подвижно бутало при температура T 1 (фиг. 1).

Бавно ще загреем газа до температура T 2. Газът ще се разшири изобарно и буталото ще се премести от позиция 1 в позиция 2 разстояние Δ л. В този случай силата на налягането на газа ще извърши работа върху външни тела. Защото стр= const, тогава силата на натиск Ф = p⋅Sсъщо постоянна. Следователно работата на тази сила може да се изчисли по формулата

\(~A = F \cdot \Delta l = p \cdot S \cdot \Delta l = p \cdot \Delta V,\)

където ∆ V- промяна в обема на газа.

Ако обемът на газа не се промени (изохорен процес), тогава работата, извършена от газа, е нула.

Газът действа само в процеса на промяна на обема си.

При разширяване (Δ V> 0) положителна работа се извършва върху газа ( НО> 0); под компресия (Δ V < 0) газа совершается отрицательная работа (НО < 0).

Ако разгледаме работата на външни сили А " (НО " = –НО), след това с разширението (Δ V> 0) газ НО " < 0); при сжатии (ΔV < 0) НО " > 0.

Нека напишем уравнението на Клапейрон-Менделеев за две газови състояния:

\(~p \cdot V_1 = \nu \cdot R \cdot T_1, \; \; p \cdot V_2 = \nu \cdot R \cdot T_2,\)

\(~p \cdot (V_2 - V_1) = \nu \cdot R \cdot (T_2 - T_1) .\)

Следователно, когато изобарен процес

\(~A = \nu \cdot R \cdot \Delta T .\)

Ако ν = 1 mol, тогава при Δ Τ = 1 K получаваме това Ре числено равно на А.

Оттук следва физическо значение на универсалната газова константа: той е числено равен на работата, извършена от 1 мол идеален газ, когато се нагрее изобарно с 1 K.

Не е изобарен процес

На графиката стр (V) при изобарен процес работата е равна на площта на правоъгълника, защрихована на фигура 2, а.

Ако процесът не изобарна(фиг. 2, б), след това кривата на функцията стр = е(V) може да бъде представена като прекъсната линия, състояща се от голям брой изохори и изобари. Работата върху изохорни секции е равна на нула, а общата работа върху всички изобарни секции ще бъде равна на

\(~A = \lim_(\Delta V \to 0) \sum^n_(i=1) p_i \cdot \Delta V_i\), или \(~A = \int p(V) \cdot dV,\ )

тези. ще бъде равно на площ на засенчената фигура.

В изотермичен процес (T= const) работата е равна на площта на защрихованата фигура, показана на фигура 2, c.

Възможно е да се определи работата с помощта на последната формула само ако е известно как се променя налягането на газа с промяна в обема му, т.е. формата на функцията е известна стр = е(V).

По този начин е ясно, че дори при една и съща промяна в обема на газа работата ще зависи от метода на преход (т.е. от процеса: изотермичен, изобарен ...) от първоначалното състояние на газа към крайното. Следователно може да се заключи, че

Работата в термодинамиката е функция на процеса, а не функция на състоянието.

Количество топлина

Както знаете, по време на различни механични процеси има промяна в механичната енергия У. Мярката за промяна на механичната енергия е работата на силите, приложени към системата:

\(~\DeltaW = A.\)

По време на преноса на топлина настъпва промяна във вътрешната енергия на тялото. Мярката за промяна на вътрешната енергия по време на пренос на топлина е количеството топлина.

Количество топлинае мярка за промяната във вътрешната енергия по време на пренос на топлина.

Така и работата, и количеството топлина характеризират промяната в енергията, но не са идентични с вътрешната енергия. Те не характеризират състоянието на самата система (както вътрешната енергия), а определят процеса на преход на енергия от една форма в друга (от едно тяло в друго) при промяна на състоянието и по същество зависят от естеството на процеса.

Основната разлика между работа и топлина е това

работата характеризира процеса на промяна на вътрешната енергия на системата, придружен от преобразуване на енергията от един вид в друг (от механична във вътрешна);
количеството топлина характеризира процеса на пренос на вътрешна енергия от едно тяло на друго (от по-нагрят към по-малко нагрят), който не е придружен от енергийни трансформации.

Отопление (охлаждане)

Опитът показва, че количеството топлина, необходимо за загряване на тяло с маса мтемпература T 1 до температура T 2 се изчислява по формулата

\(~Q = c \cdot m \cdot (T_2 - T_1) = c \cdot m \cdot \Delta T,\)

където ° С- специфичен топлинен капацитет на веществото (таблица);

\(~c = \dfrac(Q)(m \cdot \Delta T).\)

SI единицата за специфична топлина е джаул на килограм-Келвин (J/(kg K)).

Специфична топлина ° Се числено равно на количеството топлина, което трябва да се предаде на тяло с маса 1 kg, за да се нагрее с 1 K.

В допълнение към специфичния топлинен капацитет се взема предвид и такова количество като топлинния капацитет на тялото.

Топлинен капацитеттяло ° Счислено равно на количеството топлина, необходимо за промяна на телесната температура с 1 K:

\(~C = \dfrac(Q)(\Delta T) = c \cdot m.\)

SI единицата за топлинен капацитет на тялото е джаул на Келвин (J/K).

Изпаряване (кондензация)

За да превърнете течност в пара при постоянна температура, необходимото количество топлина е

\(~Q = L\cdot m,\)

където Л- специфична топлина на изпаряване (таблица стойност). Когато парата се кондензира, се отделя същото количество топлина.

Единицата SI за специфична топлина на изпаряване е джаул на килограм (J/kg).

Топене (кристализация)

За да се стопи кристално тяло с маса мпри точката на топене е необходимо тялото да отчита количеството топлина

\(~Q = \lambda \cdot m,\)

където λ - специфична топлина на топене (таблица стойност). При кристализацията на едно тяло се отделя същото количество топлина.

Единицата SI за специфична топлина на сливане е джаул на килограм (J/kg).

изгаряне на гориво

Количеството топлина, което се отделя при пълното изгаряне на горивната маса м,

\(~Q = q \cdot m,\)

където q- специфична топлина на горене (таблица стойност).

Единицата SI за специфична топлина на изгаряне е джаул на килограм (J/kg).

литература

Аксенович Л. А. Физика в гимназията: теория. Задачи. Тестове: Proc. надбавка за институции, предоставящи общ. среди, образование / Л. А. Аксенович, Н. Н. Ракина, К. С. Фарино; Изд. К. С. Фарино. - Мн.: Адукация и издаване, 2004. - C. 129-133, 152-161.

Теми на кодификатора USEКлючови думи: вътрешна енергия, топлопренос, видове топлопренос.

Частиците на всяко тяло - атоми или молекули - извършват хаотично непрестанно движение (т.нар. термично движение). Следователно всяка частица има някаква кинетична енергия.

Освен това частиците на материята взаимодействат помежду си чрез силите на електрическо привличане и отблъскване, както и чрез ядрени сили. Следователно цялата система от частици на дадено тяло също има потенциална енергия.

Кинетичната енергия на топлинното движение на частиците и потенциалната енергия на тяхното взаимодействие заедно образуват нов вид енергия, която не се редуцира до механичната енергия на тялото (т.е. кинетичната енергия на движението на тялото като цяло и потенциалната енергия на взаимодействието му с други тела). Този вид енергия се нарича вътрешна енергия.

Вътрешната енергия на тялото е общата кинетична енергия на топлинното движение на неговите частици плюс потенциалната енергия на тяхното взаимодействие помежду си.

Вътрешната енергия на термодинамичната система е сумата от вътрешните енергии на телата, включени в системата.

Така вътрешната енергия на тялото се формира от следните термини.

1. Кинетична енергия на непрекъснато хаотично движение на частици на тялото.
2. Потенциална енергия на молекули (атоми), дължаща се на силите на междумолекулното взаимодействие.
3. Енергия на електроните в атомите.
4. Вътрешноядрена енергия.

В случая на най-простия модел на материята - идеален газ - може да се получи изрична формула за вътрешната енергия.

Вътрешна енергия на едноатомния идеален газ

Потенциалната енергия на взаимодействие между частиците на идеален газ е нула (припомнете си, че в модела на идеалния газ ние пренебрегваме взаимодействието на частици от разстояние). Следователно вътрешната енергия на едноатомния идеален газ се свежда до общата кинетична енергия на транслационните (за многоатомния газ трябва да се вземе предвид и въртенето на молекулите и вибрациите на атомите в молекулите) на неговите атоми. Тази енергия може да бъде намерена чрез умножаване на броя на газовите атоми по средната кинетична енергия на един атом:

Виждаме, че вътрешната енергия на идеален газ (чиято маса и химичен състав са непроменени) е функция само от неговата температура. За реален газ, течен или твърд, вътрешната енергия също ще зависи от обема - в края на краищата, когато обемът се промени, относителното положение на частиците се променя и в резултат на това потенциалната енергия на тяхното взаимодействие.

Държавна функция

Най-важното свойство на вътрешната енергия е, че е държавна функциятермодинамична система. А именно вътрешната енергия се определя еднозначно от набор от макроскопични параметри, характеризиращи системата и не зависи от „предисторията“ на системата, т.е. за състоянието, в което е била системата преди и как конкретно се е озовала в това състояние.

Така че, по време на прехода на една система от едно състояние в друго, промяната във вътрешната й енергия се определя само от началното и крайното състояние на системата и не зависиот пътя на прехода от първоначалното състояние към крайното. Ако системата се върне в първоначалното си състояние, тогава промяната във вътрешната й енергия е нула.

Опитът показва, че има само два начина за промяна на вътрешната енергия на тялото:

Извършване на механична работа;
пренос на топлина.

Казано по-просто, можете да загреете чайника само по два коренно различни начина: да го разтриете с нещо или да го запалите :-) Нека разгледаме тези методи по-подробно.

Промяна във вътрешната енергия: извършване на работа

Ако работата е свършена по-горетялото, вътрешната енергия на тялото се увеличава.

Например, пирон след удар с чук се нагрява и се деформира малко. Но температурата е мярка за средната кинетична енергия на частиците на тялото. Нагряването на пирон показва увеличаване на кинетичната енергия на неговите частици: всъщност частиците се ускоряват от удар с чук и от триенето на пирона в дъската.

Деформацията не е нищо друго освен изместване на частиците една спрямо друга; След удара нокътът претърпява компресионна деформация, частиците му се приближават една към друга, силите на отблъскване между тях се увеличават и това води до увеличаване на потенциалната енергия на частиците на ноктите.

Така вътрешната енергия на нокътя се е увеличила. Това беше резултатът от работата, извършена върху него - работата беше извършена от чука и силата на триене върху дъската.

Ако работата е свършена самитялото, тогава вътрешната енергия на тялото намалява.

Нека например сгъстен въздух в топлоизолиран съд под бутало да се разшири и повдигне определен товар, като по този начин върши работа (процесът в топлоизолиран съд се нарича адиабатен. Ще изучаваме адиабатния процес, като разгледаме първия закон на термодинамиката). По време на такъв процес въздухът ще се охлажда - неговите молекули, удряйки след движещото се бутало, му дават част от своята кинетична енергия. (По същия начин футболист, спирайки бързо летяща топка с крак, прави движение с крака си оттопка и гаси нейната скорост.) Следователно вътрешната енергия на въздуха намалява.

Следователно въздухът работи благодарение на вътрешната си енергия: тъй като съдът е топлоизолиран, няма приток на енергия към въздуха от външни източници и въздухът може да черпи енергия за извършване на работа само от собствените си резерви.

Промяна във вътрешната енергия: пренос на топлина

Преносът на топлина е процес на прехвърляне на вътрешна енергия от по-горещо тяло към по-студено, който не е свързан с извършването на механична работа.. Преносът на топлина може да се осъществи или чрез директен контакт на телата, или чрез междинна среда (и дори чрез вакуум). Преносът на топлина също се нарича топлообмен.

Има три вида пренос на топлина: проводимост, конвекция и топлинно излъчване.

Сега ще ги разгледаме по-подробно.

Топлопроводимост

Ако поставите желязна пръчка с единия край в огъня, тогава, както знаем, не можете да я държите в ръката си дълго време. Попадайки в областта на висока температура, атомите на желязото започват да вибрират по-интензивно (т.е. придобиват допълнителна кинетична енергия) и да нанасят по-силни удари на съседите си.

Кинетичната енергия на съседните атоми също се увеличава и сега тези атоми придават допълнителна кинетична енергия на своите съседи. И така, от секция на секция, топлината постепенно се разпространява по пръчката - от края, поставен в огъня, до ръката ни. Това е топлопроводимост (фиг. 1) (Изображение от educationalelectronicsusa.com).

Ориз. 1. Топлопроводимост

Топлопроводимостта е пренос на вътрешна енергия от по-нагрети части на тялото към по-малко нагрети поради топлинно движение и взаимодействието на частиците на тялото..

Топлопроводимостта на различните вещества е различна. Металите имат висока топлопроводимост: среброто, медта и златото са най-добрите проводници на топлина. Топлопроводимостта на течностите е много по-малка. Газовете провеждат топлина толкова зле, че вече принадлежат към топлоизолатори: поради големите разстояния между тях, газовите молекули взаимодействат слабо помежду си. Ето защо, например, в прозорците се правят двойни рамки: слой въздух предотвратява изтичането на топлина).

Следователно порестите тела, като тухли, вълна или козина, са лоши проводници на топлина. Те съдържат въздух в порите си. Нищо чудно, че тухлените къщи се считат за най-топлите, а в студено време хората носят кожени палта и якета със слой пух или подплатен полиестер.

Но ако въздухът провежда топлина толкова лошо, тогава защо стаята се затопля от батерията?

Това се случва поради друг вид пренос на топлина - конвекция.

Конвекция

Конвекцията е пренос на вътрешна енергия в течности или газове в резултат на циркулация на потоци и смесване на материята.

Въздухът в близост до батерията се нагрява и се разширява. Силата на гравитацията, действаща върху този въздух, остава същата, но издърпващата сила от околния въздух се увеличава, така че нагрятият въздух започва да плува към тавана. На негово място идва студен въздух (същият процес, но в много по-голям мащаб, постоянно се случва в природата: така възниква вятърът), с който се повтаря едно и също нещо.

В резултат на това се установява циркулация на въздуха, която служи като пример за конвекция - разпределението на топлината в помещението се извършва от въздушни потоци.

Напълно аналогичен процес може да се наблюдава в течност. Когато поставите чайник или тенджера с вода на котлона, водата се нагрява основно поради конвекция (тук приносът на топлопроводимостта на водата е много незначителен).

Конвективните течения във въздуха и течността са показани на фиг. 2 (изображения от physics.arizona.edu).

Ориз. 2. Конвекция

В твърдите тела няма конвекция: силите на взаимодействие на частиците са големи, частиците осцилират близо до фиксирани пространствени точки (възлите на кристалната решетка) и при такива условия не могат да се образуват потоци от материя.

За циркулацията на конвекционните потоци при отопление на помещението е необходимо загрят въздух имаше място за плаване. Ако радиаторът е монтиран под тавана, тогава няма да има циркулация - топъл въздух ще остане под тавана. Ето защо се поставят отоплителни уреди на дънотостаи. По същата причина слагат чайника наогън, в резултат на което нагрятите слоеве вода, издигайки се, отстъпват място на по-студените.

Напротив, климатикът трябва да бъде поставен възможно най-високо: тогава охладеният въздух ще започне да потъва и на негово място ще дойде по-топъл въздух. Циркулацията ще върви в обратна посока в сравнение с движението на потоците при отопление на помещението.

топлинно излъчване

Как Земята получава енергия от Слънцето? Топлопроводимостта и конвекцията са изключени: ние сме разделени от 150 милиона километра безвъздушно пространство.

Ето третия вид топлопреминаване - топлинно излъчване. Радиацията може да се разпространява както в материя, така и във вакуум. Как възниква?

Оказва се, че електрическото и магнитното поле са тясно свързани едно с друго и имат едно забележително свойство. Ако електрическото поле се променя с времето, то генерира магнитно поле, което, най-общо казано, също се променя с времето (повече за това ще бъде обсъдено в листовката за електромагнитната индукция). На свой ред променливо магнитно поле генерира променливо електрическо поле, което отново генерира променливо магнитно поле, което отново генерира променливо електрическо поле ...

В резултат на развитието на този процес, електромагнитна вълна- "закачени" един за друг електрически и магнитни полета. Подобно на звука, електромагнитните вълни имат скорост и честота на разпространение - в този случай това е честотата, с която величините и посоките на полетата се колебаят във вълната. Видимата светлина е специален случай на електромагнитни вълни.

Скоростта на разпространение на електромагнитните вълни във вакуум е огромна: km/s. И така, от Земята до Луната светлината пътува малко повече от секунда.

Честотният диапазон на електромагнитните вълни е много широк. Ще говорим повече за мащаба на електромагнитните вълни в съответния лист. Тук само отбелязваме, че видимата светлина е малък диапазон от този мащаб. Под него лежат честотите на инфрачервеното лъчение, отгоре - честотите на ултравиолетовото лъчение.

Припомнете си сега, че атомите, като цяло електрически неутрални, съдържат положително заредени протони и отрицателно заредени електрони. Тези заредени частици, извършвайки хаотично движение заедно с атомите, създават редуващи се електрически полета и по този начин излъчват електромагнитни вълни. Тези вълни се наричат топлинно излъчване- като напомняне, че техният източник е топлинното движение на частиците на материята.

Всяко тяло е източник на топлинно излъчване. В този случай излъчването отнема част от вътрешната си енергия. Срещайки атомите на друго тяло, излъчването ги ускорява с осцилиращото си електрическо поле и вътрешната енергия на това тяло се увеличава. Ето как се печем на слънце.

При обикновени температури честотите на топлинното излъчване са в инфрачервения диапазон, така че окото не го възприема (не виждаме как „светим“). Когато тялото се нагрява, неговите атоми започват да излъчват вълни с по-високи честоти. Железният пирон може да бъде нажежен до червено - доведен до такава температура, че топлинното му излъчване да отиде в долната (червена) част на видимия диапазон. И Слънцето ни изглежда жълто-бяло: температурата на повърхността на Слънцето е толкова висока, че в спектъра на нейното излъчване има всички честоти на видимата светлина и дори ултравиолетовата, благодарение на която се слънчеви бани.

Нека да разгледаме отново трите вида топлопренос (Фигура 3) (изображения от beodom.com).

Ориз. 3. Три вида пренос на топлина: проводимост, конвекция и излъчване

ТЕМПЕРАТУРА И НЕЙНОТО ИЗМЕРВАНЕ.

[Q]=Дж. Q=DU.

ТЕРМИЧНИ ПРОЦЕСИ.

топене и кристализация.

Едно и също вещество може да бъде при определени условия в твърдо, течно и газообразно състояние, наречено агрегат.

ПРЕХОДЪТ ОТ ТВЪРДО КЪМ ТЕЧНО СЪСТОЯНИЕ се нарича топене.Топенето става при температура, наречена точка на топене. Точките на топене на веществата са различни, т.к структурата им е различна. Точка на топене - таблична стойност. По време на процеса на топене температурата не се променя, т.к подадената топлина се изразходва за разрушаване на кристалната решетка на твърдото вещество.

КОЛИЧЕСТВОТО ТОПЛИНА, НЕОБХОДИМО ЗА ПРЕВРАЩАНЕ НА 1 KG ТВЪРДО ТВЪРДО, ВЗЕТАНО ПРИ ТЕМПЕРАТУРА НА ТОПЕНЕ В ТЕЧНОСТ СЪС СЪЩАТА ТЕМПЕРАТУРА, се нарича СПЕЦИФИЧНА ТОПЛИНА НА ТОПЕНЕ. [l]=J/kg.

КРИСТАЛИЗАЦИЯТА Е ПРОЦЕС НА ПРЕХОД НА ВЕЩЕСТВО ОТ ТЕЧНО В ТВЪРДО СЪСТОЯНИЕ. Точката на топене на веществото е равна на неговата температура на кристализация. Както в процеса на топене, температурата не се променя по време на кристализация, т.к по време на кристализация се отделя топлината, която някога е била изразходвана за топене на тялото. Той поддържа температурата на кристализиращото тяло постоянна. В съответствие със закона за запазване на енергията, при изчисляване на количеството топлина, отделена по време на кристализация, се използва същата формула като при топенето. За да се покаже посоката на топлопреминаване, в него се въвежда знак минус.

Изпаряване и кондензация.

ИЗПАРЯВАНЕТО Е ПРОЦЕС НА ПРЕХОД НА ВЕЩЕСТВО ОТ ТЕЧНО В ГАЗОТО СЪСТОЯНИЕ. Течните молекули се привличат една друга, така че само най-бързите молекули с висока кинетична енергия могат да излитат от течността. Ако няма подаване на топлина, тогава температурата на изпаряващата се течност намалява. Скоростта на изпарение зависи от температурата на течността, нейната повърхност, вида на течността и наличието на вятър над нейната повърхност.

КОНДЕНЗАЦИЯТА Е ПРЕВРАЩАНЕ НА ТЕЧНОСТ В ПАРА. В отворен съд скоростта на изпаряване надвишава скоростта на кондензация. В затворен съд скоростите на изпаряване и кондензация са равни.

Когато течността се нагрее на дъното и стените на съда, започва отделянето на разтворен в течността въздух. Вътре в тези мехурчета течността се изпарява. Под действието на архимедовата сила мехурчетата се откъсват от стените на съда и изплват нагоре. Те попадат в още незагрята течност, парата кондензира. Мехурчетата се срутват. В същото време се чува характерен шум.

Когато течността се нагрее, кондензацията на парите в мехурчетата спира. И парният мехур, увеличаващ се по размер поради продължително изпаряване, достига повърхността на течността, се спуква, освобождавайки съдържащата се в нея пара в атмосферата. Течността кипи. КИРЕНЕТО Е ИЗПАРЯВАНЕ, КОЕТО СЕ НАСЪЩАВА ВЪРХУ ЦЕЛИЯ ОБЕМ НА ТЕЧНОСТТА . Кипенето се случва при температура, наречена точка на кипене, която зависи от вида на течността и налягането над нейната повърхност. Когато външното налягане намалява, точката на кипене на течността намалява. По време на процеса на кипене температурата на течността остава постоянна, т.к. вложената енергия се изразходва за преодоляване на взаимното привличане на течните молекули.

КОЛИЧЕСТВОТО ТОПЛИНА, НЕОБХОДИМО ЗА ПРАВЯНЕ НА 1 KG ТЕЧНОСТ В ПАРА СЪС СЪЩА ТЕМПЕРАТУРА, се нарича СПЕЦИФИЧНА ТОПЛИНА НА ИЗПАРЕНИЕ. [L] = J/kg. Специфичната топлина на изпаряване за различните течности е различна и нейната числена стойност е таблична стойност. За да се изчисли количеството топлина, необходимо за изпаряване на течност, е необходимо да се умножи специфичната топлина на изпаряване на тази течност по масата на изпарената течност.

Когато парата кондензира, се отделя същото количество топлина, което е изразходвано за нейното изпаряване. Интензивна кондензация на пара настъпва при температура на кондензация, равна на точката на кипене.

Изгаряне на гориво.

По време на изгарянето на горивото протича процесът на образуване на молекули на въглероден диоксид от въглеродните атоми на горивото и кислородните атоми на атмосферния въздух. Този окислителен процес е придружен от отделяне на голямо количество топлина. За да характеризираме различните видове гориво, ние въвеждаме СПЕЦИФИЧНА ТОПЛИНА НА ГОРИВАНЕ НА ГОРИВОТО - КОЛИЧЕСТВОТО ТОПЛИНА, ОТПУСКАНА ПРИ ПЪЛНОТО ИЗГОРЯВАНЕ НА 1 КГ ГОРИВО . [q]=J/kg. Както всички други специфични стойности, специфичната топлина на изгаряне на горивото е таблична стойност. За да се изчисли количеството топлина, отделена при пълно изгаряне на горивото, е необходимо да се умножи специфичната топлина на изгаряне на горивото по масата на горивото.

Изгарянето на горивото е необратим процес, т.е. тече само в една посока.

Законът на Кулон.

Точков заряд е заряд, разположен върху тяло, чийто размер и форма могат да бъдат пренебрегнати при дадени условия. Законът за взаимодействието на неподвижните точкови заряди е открит експериментално с помощта на торсионни везни от Ш. Кулон през 1785г.

Торсионната везна представлява лек изолационен лъч с малки проводящи топчета, фиксирани в краищата му, едната от които не участва в експеримента, а служи само като противотежест. Кобилицата е окачена на тънка еластична нишка. През капака на устройството вътре се спуска трета идентична заредена топка. Една от топките за люлеене е привлечена от вкараната топка. В този случай зарядът се разделя между тях наполовина, т.е. върху топките ще има заряди с едно и също име със същия размер. Топките ще отскачат една от друга. Силата на взаимодействие между топките се измерва чрез ъгъла на усукване на конеца. Големината на заряда може да бъде променена чрез премахване на третата топка от устройството и премахване на заряда от него. След въвеждането му в устройството и ново разделяне на зарядите, половината от първоначалния заряд ще остане върху топките. Чрез промяна на големината на зарядите и разстоянието между тях Кулон установи това СИЛАТА НА ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НА ТОЧКОВИТЕ ЗАРЯДИ Е ПРЯКО ПРОПОРЦИОНАЛНА НА МОДУЛИТЕ НА ЗАРЯДИ И Е ОБРАТНА ПРОПОРЦИОНАЛНО НА КВАДРАТА НА РАЗСТОЯНИЕТО МЕЖДУ ТЯХ . Точковите заряди са тези, разположени върху тела, чийто размер и форма могат да бъдат пренебрегнати в тази конкретна ситуация.

F ~ q 1 , F~q 2 , F~1/r 2 Þ F~½q 1 ½½q 2 ½/r 2 .

Освен това беше установено, че силата на взаимодействие между зарядите във вакуум е по-голяма, отколкото във всяка диелектрична среда. Стойността, показваща колко пъти силата на взаимодействие на зарядите във вакуум е по-голяма от тази в дадена среда, се нарича проницаемост на средата. Диелектричната константа на средата е таблична стойност.

e = F в /F. [e] = 1.

Експериментално е установено, че коефициентът на пропорционалност в закона на Кулон k \u003d 9 * 1O 9 Nm 2 /C 2 е силата, с която два точкови заряда от 1 C всеки на разстояние 1 m биха взаимодействали във вакуум.

F = k |q 1 | |q 2 |/ er 2 .

Законът на Кулон е валиден и за заредени топки. В този случай r се разбира като разстоянието между техните центрове.

ЗАКОН НА ОМ ЗА ВЕРИЖНА СЕКЦИЯ.

Увеличаването на потенциалната разлика в краищата на проводника води до увеличаване на тока в него. Ом експериментално доказа, че силата на тока в проводника е право пропорционална на потенциалната разлика в него.

Когато към една и съща електрическа верига са свързани различни консуматори, силата на тока в тях е различна. Това означава, че различните консуматори възпрепятстват преминаването на електрически ток през тях по различни начини. ФИЗИЧЕСКО КОЛИЧЕСТВО, ХАРАКТЕРИСТИЧНО СПОСОБНОСТТА НА ПРОВОДНИК ДА ПРЕДОТВРАТЯВА ЕЛЕКТРИЧЕСКИ ТОК, ПРЕЗ НЕГО, СЕ НАРИЧА ЕЛЕКТРИЧЕСКО СЪПРОТИВЛЕНИЕ . Съпротивлението на даден проводник е постоянна стойност при постоянна температура. С повишаване на температурата съпротивлението на металите се увеличава, докато това на течностите намалява. [R] = Ом. 1 Ohm е съпротивлението на такъв проводник, през който протича ток от 1 A с потенциална разлика в краищата му от 1 V. Най-често използваните метални проводници. Носителите на ток в тях са свободни електрони. Когато се движат по проводник, те взаимодействат с положителните йони на кристалната решетка, като им дават част от енергията си и губят скорост. За да получите желаното съпротивление, използвайте кутията за съпротивление. Съпротивителна кутия е набор от намотки от тел с известни съпротивления, които могат да бъдат включени във веригата в желаната комбинация.

Ом експериментално установи това СИЛНОСТТА НА ТОКА В ХОМОГЕННА СЕКЦИЯ НА ВЕРИГАТА Е ПРЯКО ПРОПОРЦИОНАЛНА НА РАЗЛИКА НА ПОТЕНЦИАЛНИТЕ В КРАИЦИТЕ НА ТОЗИ СЕКЦИЯ И Е ОБРАТНО ПРОПОРЦИОНАЛНА НА СЪПРОТИВЛЕНИЕТО НА ТОЗИ СЕКЦИЯ.

Хомогенна секция от верига е участък, в който няма източници на ток. Това е законът на Ом за хомогенен участък от веригата - в основата на всички електрически изчисления.

Включително проводници с различни дължини, различни напречни сечения, изработени от различни материали, е установено: СЪпротивлението на проводника е директно пропорционално на дължината на проводника и обратно пропорционално на неговата площ на напречното сечение. СЪПРОТИВЛЕНИЕТО НА КУБ С РЪБ 1 МЕТР, НАПРАВЕНО ОТ ВСЯКАКВО ВЕЩЕСТВО, АКО ТОКЪТ ТЕЧЕ ПЕРПЕНДИКУЛНО КЪМ ПРОТИВОЛОЖНИТЕ МУ ГРАНИ, се нарича СПЕЦИФИЧНО СЪПРОТИВЛЕНИЕ НА ТОВА ВЕЩЕСТВО . [r] \u003d Ohm m. Често се използва несистемна единица за съпротивление - съпротивление на проводник с площ на напречното сечение 1 mm 2 и дължина 1 m. [r] \u003d Ohm m. u003d Ohm mm 2 / m.

Специфичното съпротивление на веществото е таблична стойност. Съпротивлението на проводника е пропорционално на неговото съпротивление.

Действието на плъзгащите и стъпаловидни реостати се основава на зависимостта на съпротивлението на проводника от неговата дължина. Реостатът на плъзгача е керамичен цилиндър с навита около него никелинова тел. Свързването на реостата към веригата се извършва с помощта на плъзгач, който включва по-голяма или по-малка дължина на намотката във веригата. Жицата е покрита със слой от мащаб, който изолира завоите един от друг.

А) ПОРЕДНО И ПАРАЛЕЛНО СВЪРЗВАНЕ НА ПОТРЕБИТЕЛИТЕ.

Често в електрическата верига са включени няколко консуматора на ток. Това се дължи на факта, че не е рационално всеки потребител да има собствен източник на ток. Има два начина за включване на консуматорите: последователно и паралелно, както и техните комбинации под формата на смесена връзка.

а) Серийно свързване на консуматорите.

Когато са свързани последователно, консуматорите образуват непрекъсната верига, в която консуматорите са свързани един след друг. При последователно свързване няма разклонения на свързващите проводници. Помислете за простота верига от два консуматора, свързани последователно. Електрически заряд, който е преминал през един от консуматорите, ще премине и през втория, т.к. в проводника, свързващ консуматорите, не може да има изчезване, възникване и натрупване на заряди. q=q 1 =q 2 . Разделяйки полученото уравнение на времето на преминаване на тока през веригата, получаваме връзка между тока, протичащ през цялата връзка, и токовете, протичащи през нейните участъци.

Очевидно е, че работата по преместването на единичен положителен заряд в цялата връзка се състои от работата по преместването на този заряд през всичките му секции. Тези. V \u003d V 1 + V 2 (2).

Общата потенциална разлика между серийно свързани консуматори е равна на сумата от потенциалните разлики между консуматорите.

Разделете двете части на уравнение (2) на тока във веригата, получаваме: U/I=V 1 /I+V 2 /I. Тези. съпротивлението на цялата последователно свързана секция е равно на сумата от съпротивленията на консуматорите на неговите компоненти.

Б) Паралелно свързване на консуматори.

Това е най-често срещаният начин да се даде възможност на потребителите. С тази връзка всички консуматори са свързани към две общи точки за всички консуматори.

При преминаване през паралелна връзка електрическият заряд, преминаващ през веригата, се разделя на няколко части, преминаващи през отделни консуматори. Според закона за запазване на заряда q=q 1 +q 2 . Разделяйки това уравнение на времето за преминаване на заряда, получаваме връзката между общия ток, протичащ през веригата, и токовете, протичащи през отделните консуматори.

В съответствие с определението за потенциална разлика V=V 1 =V 2 (2).

Съгласно закона на Ом за участък от веригата, ние заменяме силите на тока в уравнение (1) със съотношението на потенциалната разлика към съпротивлението. Получаваме: V / R \u003d V / R 1 + V / R 2. След намаляване: 1/R=1/R 1 +1/R 2 ,

тези. реципрочната стойност на съпротивлението на паралелна връзка е равна на сумата от реципрочните стойности на съпротивленията на отделните й клонове.

ПРАВИЛАТА НА КИРХХОФ.

За изчисляване на разклонени електрически вериги се използват правилата на Кирхоф.

Точката във веригата, където се пресичат три или повече проводника, се нарича възел. Според закона за запазване на заряда сумата от токовете, влизащи и напускащи възела, е равна на нула. I = O. (първото правило на Кирхоф). АЛГЕБРАЧНАТА СУМА ОТ ТОКОВИТЕ ПРЕЗ ВЪЗЛА Е НУЛА.

Токът, влизащ във възела, се счита за положителен, оставяйки възела отрицателен. Посоките на токовете в участъците на веригата могат да бъдат избрани произволно.

Уравнение (2) предполага, че ПРИ ЗАХОДЯНЕ НА КОЯТО И ДА ЗАТВОРЕНА ВЕРИГА АЛГЕБРИЧНАТА СУМА ОТ СПАДАНЕТО НА НАПРЕЖЕНИЕТО Е РАВНА НА АЛГЕБРИЧНАТА СУМА ОТ ЕМП В ТАЗИ ВЕРИГА , - (Второ правило на Кирхоф).

Посоката на байпаса на контура се избира произволно. Напрежението в участък от веригата се счита за положително, ако посоката на тока в тази секция съвпада с посоката на заобикаляне на веригата. EMF се счита за положителен, ако по време на байпаса по веригата източникът преминава от отрицателния полюс към положителния.

Ако веригата съдържа m възли, тогава m - 1 уравнение може да се направи според първото правило. Всяко ново уравнение трябва да включва поне един нов елемент. Общият брой на уравненията, съставени според правилата на Кирхоф, трябва да съответства на броя на сегментите между възлите, т.е. с броя на токове.

ПОСТОЯННИ МАГНИТИ.

Усилването на магнитното поле на соленоида, когато в него се въведе желязна сърцевина, се дължи на факта, че желязото в магнитното поле е намагнетизирано и неговото магнитно поле, насложено върху магнитното поле на бобината, го укрепва. Желязото принадлежи към силно магнитните материали, които включват също никел, кобалт, гадолиний и техните съединения. Намагнитването на желязната сърцевина се запазва дори след отстраняването й от намотката. Тяло, което запазва магнитни свойства, се нарича постоянен магнит. Всеки постоянен магнит има два полюса - северен и южен. Това са местата на магнита, където магнитното поле е най-голямо. Подобно на полюсите на магнитите се отблъскват, противоположните полюси се привличат. Конфигурацията на полето на постоянните магнити е лесна за изследване с помощта на железни стърготини.

Естествено намагнетизирани парчета желязо или желязна руда вече са били използвани в древен Китай за ориентация на Земята, която сама по себе си е огромен постоянен магнит. Южният магнитен полюс на Земята се намира в областта на северния географски полюс, но не съвпада с него, северният магнитен полюс е в областта на южния географски полюс. Положението на магнитните полюси не е постоянно. Освен това анализът на седиментните скали на Земята предполага, че магнитното поле на Земята многократно е променяло полярността. Магнитното поле на Земята играе огромна роля за целия живот на нея, т.к. предпазва ни от поток от бързи частици, летящи към Земята от космоса, най-вече от Слънцето. При промяна на този поток на Земята се наблюдават магнитни бури – краткотрайни промени в магнитното поле на Земята, причиняващи прекъсване на радиокомуникациите, отклонения в положението на магнитните стрелки.

МАГНИТНО ПОЛЕ НА ТОКА.

През 1820 г. Ерстед открива, че магнитна игла, разположена до проводник, пренасящ електрически ток, се върти така, че оста му съвпада с допирателната към окръжността, заобикаляща този проводник.

През същата година Ампер открива взаимодействието на проводниците с тока и открива закона, на който се подчинява това взаимодействие. Действието на токопроводящ проводник върху магнитна игла и взаимодействието на токопроводящи проводници може да се обясни с факта, че токопроводящият проводник създава магнитно поле в заобикалящата го среда, което се открива от магнитна игла или друг ток - носещ проводник.

Магнитно поле - специален вид материя, създадена от движещи се електрически заряди (ток) и открита от действието върху движещи се електрически заряди (ток). Магнитното поле се разпространява в пространството със скоростта на светлината. Той намалява с увеличаване на разстоянието от тока, който го създава. Магнитното поле има енергия.

За изследване на магнитните полета се използват малки магнитни игли, с помощта на които е намерен удобен начин за графично представяне на магнитни полета с помощта на магнитни линии. Магнитната линия е линия, по която осите на малки магнитни стрелки са разположени в магнитно поле. Видът на магнитните линии се установява лесно с помощта на малки железни стърготини, изсипвани върху картон и поставени в магнитно поле. В този случай дървените стърготини, намагнетизирани в полето, се подреждат във вериги по магнитните линии. Посоката на тези линии се приема като посока, която би посочила северния полюс на магнитната стрелка.

Магнитните линии на праволинеен проводник с ток са окръжности, центърът на които е проводникът с ток. Посоката на линиите се определя от правилото на гиллета: ако транслационното движение на джоба (десния винт) съвпада с посоката на тока в проводника, тогава посоката на въртеливо движение на дръжката на джилета съвпада с посоката на магнитни линии.

Магнитните линии на намотка с ток (соленоид) са затворени криви, покриващи завоите на бобината. Посоката на тези линии е лесно да се определи по следното правило: ако вземете намотката с дясната си ръка, така че огънатите пръсти да са насочени по протежение на тока в нея, тогава огънатият палец ще покаже посоката на магнитните линии по протежение на оста на бобината.

Намотка с ток е електромагнит, подобен на лентов постоянен магнит. Магнитното поле на бобината се увеличава с увеличаване на броя на нейните завои и силата на тока в нея. За усилване на магнитното поле в намотката се вкарва желязна сърцевина. Мястото, където магнитните линии напускат бобината, е северният полюс на електромагнита, където те влизат - южният полюс.

Електромагнитите се използват широко в инженерството както за преместване на тежки железни части, железен скрап, така и в много електрически и радиотехнически устройства.

Магнитно поле действа с определена сила върху проводник с ток, разположен в него. Тази сила се нарича сила на Ампер и зависи правопропорционално на дължината на проводника, силата на тока в него. Зависи и от големината на полето и от местоположението на проводника. Посоката на силата на Ампер се определя от правилото на лявата ръка: ако лява ръкаразположени в магнитно поле, така че магнитните линии да влизат в дланта и четири разперени пръста показват посоката на тока, след това огънатият палец ще показва посоката на силата.

Действието на магнитно поле върху проводник с ток се използва в електродвигателите. DC моторът се състои от неподвижна част - статор и подвижна част - ротор. В жлебовете на статора е поставена намотка, която създава магнитно поле. Роторът е намотка с много завои, токът към който се подава с помощта на плъзгащи се контакти - четки. За увеличаване на магнитното поле роторът и статорът са направени от листове от трансформаторна стомана, изолирани един от друг. Роторът се задвижва от силата на Ампер. За да се поддържа постоянно въртене, посоката на тока в намотката на ротора се променя периодично с помощта на колектор, който в най-простия случай представлява два полупръстена в контакт с четките. Когато роторът се движи, четката се движи от един полупръстен към друг, променяйки посоката на тока в бобината на ротора. Това й дава възможност да завърти още половин оборот, когато течението отново промени посоката.

Защото Ефективността на електродвигателите (до 98%) е много по-висока от тази на термичните двигатели, тогава електродвигателите се използват широко в транспорта, фабрики и фабрики и др. Електрическите двигатели са компактни, не замърсяват околната среда и се управляват лесно.

ОПТИЧНИ ИНСТРУМЕНТИ.

Камера.

Камерата се състои от две основни части: светлонепроницаема камера и обектив. В най-простия случай събирателната леща може да служи като обектив. За да бъде изображението с високо качество в цялото поле на снимката, лещите на съвременните фотоапарати са сложна система от обективи, която по принцип играе ролята на събирателна леща. Обективът на фотоапарата дава върху фотографски филм, покрит с фоточувствителен слой, реално, обратно и като правило намалено изображение на снимания обект. Камерата работи по формула с тънка леща. За да се получи ясно (рязко) изображение на обекта, обективът на камерата е направен подвижен. Чрез преместване на обектива се постига необходимата острота на изображението. Обектите, които се снимат, могат да бъдат едновременно на различни разстояния от камерата. Дълбочината на полето се постига чрез факта, че прозорецът на обектива може да бъде частично блокиран от блендата. Колкото по-малък е прозорецът на обектива, толкова по-ясни ще бъдат на снимката обектите, които са на различни разстояния от камерата.

Когато снимате, обективът на фотоапарата се отваря автоматично за кратко време, наречено време на експозиция. За да направи изображението видимо, филмът се развива в специално решение и се фиксира. Полученото изображение се нарича негатив, т.к. има обратно светлинно предаване. Тези части от филма, където пада повече светлина, са по-тъмни и обратно. За да се получи фотокарта (положителна), полученото изображение се проектира върху фотохартия с помощта на фотоувеличител. След това хартията се развива и фиксира.

Съвременните камери могат да произвеждат цветни и дори триизмерни изображения. Някои устройства веднага правят готова снимка. Развитието на фотографията беше киното.

Фотографията се използва широко за научни цели, в технологиите, криминалистиката и т.н. Може да ни направи свидетели на исторически събития. Художествената фотография е широко разпространена.

прожекционно устройство.

Прожекционният апарат се използва за получаване на реално, увеличено, обърнато изображение на телата на екрана. Ако се получи изображение в пропусната светлина (снимка и филм, изображение върху стъкло), тогава апаратът се нарича диаскоп, в отразена светлина - епископ. Често се използва комбинация от тези устройства - епидиаскоп. Диаскопът се състои от източник на светлина, кондензатор и обектив. За да се увеличи осветеността на екрана, едно или повече огледала често се поставят зад източника на светлина. Кондензаторът (две плоско-изпъкнали лещи) насочва светлината, отклоняваща се от източника, към лещата. Най-простият обект е събирателна леща. Обектът, който ще бъде изобразен на екрана, се поставя между кондензатора и лещата. Яснотата на изображението се постига чрез преместване на обектива.

Увеличителите на снимки, филмоскопите, филмовите камери, шрайбпроекторите са прожекционни устройства.

Окото. очила.

Структурата на окото наподобява камера. Състои се от: склера – външната част на окото, която предпазва окото от механични повреди; роговица - предна прозрачна част на склерата; ирисът с отвор с променлив диаметър в него - зеницата; леща - двойноизпъкнала леща; стъкловидното тяло, изпълващо обема на окото; ретина - нервни окончания, които предават информация към мозъка. Пространството между роговицата и лещата е изпълнено с водна течност, която основно пречупва светлината. Окото работи по формула на тънка леща. Защото обектите могат да бъдат разположени на различни разстояния от окото, след което за да се получи ясно изображение, кривината на лещата може да се промени с помощта на очните мускули. Способността на окото да дава ясен образ на обекти на различни разстояния от него се нарича акомодация. Разстоянието, на което окото позволява да се видят малки детайли от обекти без много усилия, се нарича разстоянието на най-добро зрение. За здраво око е 25 см. Близката граница на акомодация е около 12 см. Дълбочината на полето се определя от площта на зеницата. Ретината е съставена от пръчици за черно-бели изображения и конуси за цветни изображения. Изображението върху ретината е истинско, намалено, обърнато. Триизмерното зрение дава две очи.

Ако изображението, създадено от окото, лежи пред ретината, тогава окото се нарича миопично. За да разгледа предмет, късоглед човек го приближава до очите и силно напряга очните мускули. Миопията се коригира чрез носене на очила с разсейващи лещи. Далекогледото око създава изображение зад ретината. Далекогледството се коригира чрез носене на очила със събирателни лещи. Трябва да се отбележи, че и късогледството, и далекогледството ще прогресират, ако не използвате очила, т.к. при работа очните мускули ще се пренапрягат.

ТЕМПЕРАТУРА И НЕЙНОТО ИЗМЕРВАНЕ.

Изследването на топлинните явления неизбежно трябваше да даде стойност, характеризираща степента на нагряване на телата - температура. Когато телата влязат в контакт, в резултат на взаимодействието на молекулите, тяхната средна кинетична енергия се изравнява. Температурата е мярка за средната кинетична енергия на молекулите. Показва посоката на топлинните процеси, т.к. енергията се прехвърля спонтанно от по-загрети тела към по-малко нагрети, т.е. от тела с по-висока температура към тела с по-ниска температура. Температурата се измерва с термометри. Измерването на температурата се основава на установяването на топлинно равновесие между телата, които са в контакт. На практика най-широко се използват течните термометри, които използват промяна в обема на течност (живак или алкохол) при нагряване. Разширявайки се, течността се издига през стъклена тръба, под която има мащаб. Референтните точки (т.е. точките, на които се основава температурната скала) в международната практическа температурна система, предложена от Целзий, са точката на топене на леда (O 0 C) и точката на кипене на водата (1OOS0oTC). Разстоянието между тези точки на скалата е разделено на 100 равни части. Защото Тъй като разширяването на течността е различно в различните температурни диапазони, течният термометър гарантира правилното измерване само на референтни температури. Газовите термометри, които използват зависимостта на обема на газа от температурата при постоянно налягане или зависимостта на налягането на газа от температурата при постоянен обем, са с по-голяма точност. В термометрите може да се използва и зависимостта на електрическото съпротивление на проводниците и полупроводниците от температурата.

ВЪТРЕШНА ЕНЕРГИЯ И НАЧИНИ ЗА НЕЙНОТО ИЗМЕНЕНИЕ.

Всяко тяло е изградено от огромен брой молекули. Молекулите на телата се движат постоянно, следователно имат кинетична енергия. Молекулите на твърди и течни тела взаимодействат помежду си, което означава, че те също имат потенциална енергия. СУМАТА ОТ КИНЕТИЧНА И ПОТЕНЦИАЛНА ЕНЕРГИЯ НА МОЛЕКУЛИТЕ, СЪСТАВЯЩИ ТЯЛОТО, СЕ НАРИЧА ВЪТРЕШНА ЕНЕРГИЯ. [U]=J. Вътрешната енергия включва и енергията на частиците, които изграждат атомите.

Вътрешната енергия на тялото може да се променя по време на различни топлинни процеси. Така че при нагряване, например, скоростта на движение на молекулите се увеличава, а оттам и тяхната кинетична енергия. Когато тялото се нагрява, обемът му се увеличава, разстоянията между молекулите се променят и следователно се променя и потенциалната енергия на тяхното взаимодействие. Промените във вътрешната енергия могат да се съдят по промените в телесната температура. С повишаване на температурата на тялото се увеличава неговата вътрешна енергия.

Вътрешната енергия може да бъде променена по два принципно различни начина.

1. Ако се работи върху тялото, то се нагрява, т.е. вътрешната му енергия се увеличава. Ако самото тяло работи върху външни тела, неговата вътрешна енергия намалява. A=DU.

2. Вътрешната енергия може да се промени и чрез пренос на топлина. ТОПЛОПРЕДАВАНЕТО ИЛИ ТОПЛОПРЕДАВАНЕТО Е ПРОЦЕС НА ПРОМЯНА НА ВЪТРЕШНОТО ЕНЕРГИЯ БЕЗ РАБОТА. И така, чайник, стоящ на гореща печка, получава енергия чрез пренос на топлина.

Има три вида топлопренос: топлопроводимост - пренасяне на енергия чрез обмена й с молекули при тяхното взаимодействие; конвекция - пренос на енергия от потоци от нагрята течност или газ; радиация - пренос на енергия чрез електромагнитни вълни. Освен това, последният вид топлопредаване не изисква директен контакт на телата или наличието на каквото и да е вещество между тях.

Мярката за пренесената топлинна енергия по време на топлопренос е КОЛИЧЕСТВОТО ТОПЛИНА - ТАЗИ ЧАСТ ОТ ВЪТРЕШНАТА ЕНЕРГИЯ, КОЯТО ТЯЛОТО ПОЛУЧАВА ИЛИ ОСВОБОЖДАВА ПРИ ТОПЛОПРЕДАВАНЕТО. [Q]=Дж. Q=DU.

ТЕРМИЧНИ ПРОЦЕСИ.