485b04a4fizika_shpori_4+sem+vmgsu.ru

vmgsu.ru

4,1Тепловое излучение Тела, нагретые до достаточно высокой температуры, приобретают способность светиться. По мере уменьшения температуры изменяется не только интенсивность излучения но и его спектральный состав. В нём всё сильнее обнаруживается преобладание длинных волн – красных и инфракрасных. Электромагнитное излучение, возникающее за счёт внутренней энергии излучающего тела и зависящее только от температуры называется тепловым излучением. Если энергия расходуемая на излучение не восполняется теплом, то излучение с течением времени уменьшается и температура постепенно понижается. Единственное излучение, способное находиться в равновесии с веществом. Равновесное излучение. Устанавливается в адиабатно - замкнутой теплоизолированной системе (теплоизолированной) 4,2, Законы Кирхгофа (или правила Кирхгофа) — неизменные соотношения, которые выполняются между токами и напряжениями на участках любой электрической цепи. Для формулировки законов Кирхгофа, в электрической цепи выделяются узлы — точки соединения трёх и более проводников и контуры — замкнутые пути из проводников. При этом каждый проводник может входить в несколько контуров. В этом случае законы формулируются следующим образом. Первый закон (ЗТК, Закон токов Кирхгофа) гласит, что алгебраическая сумма токов в любом узле любой цепи равна нулю (значения вытекающих токов берутся с обратным знаком). Иными словами, сколько тока втекает в узел, столько из него и вытекает. Данный закон следует из закона сохранения заряда. Если цепь содержит p узлов, то она описывается p − 1 уравнениями токов. Второй закон (ЗНК, Закон напряжений Кирхгофа) гласит, что алгебраическая сумма падений напряжений по любому замкнутому контуру цепи равна алгебраической сумме ЭДС, действующих вдоль этого же контура. Если в контуре нет ЭДС, то суммарное падение напряжений равно нулю. Иными словами, при обходе цепи по контуру, потенциал, изменяясь, возвращается к исходному значению. Если цепь содержит ветвей, из которых содержат источники тока ветви в количестве , то она описывается уравнениями напряжений. Законы Кирхгофа справедливы для линейных и нелинейных цепей при любом характере изменения во времени токов и напряжений. Зависимость испускательной способности от частоты и температуры называется функцией Киргофа : rv = f(f,T). 4,3 Абсолютно чёрное тело — физическая абстракция, применяемая в термодинамике, тело, поглощающее всё падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах и ничего не отражающее. Несмотря на название, абсолютно чёрное тело само может испускать электромагнитное излучение любой частоты и визуально иметь цвет. Спектр излучения абсолютно чёрного тела определяется только его температурой. Первый закон излучения Вина В 1893 году Вильгельм Вин, исходя из представлений классической термодинамики, вывел следующую формулу: .где uν — плотность энергии излучения ν — частота излучения T — температура излучающего тела f — функция, зависящая только от частоты и температуры. Вид этой функции невозможно установить, исходя только из термодинамических соображений. Первая формула Вина справедлива для всех частот. Любая более конкретная формула (например, закон Планка) должна удовлетворять первой формуле Вина. Из первой формулы Вина можно вывести закон смещения Вина (закон максимума) и закон Стефана-Больцмана, но нельзя найти значения постоянных, входящих в эти законы. Исторически именно первый закон Вина назывался законом смещения, но в настоящее время термином "закон смещения Вина" называют закон максимума. Второй закон излучения Вина.В 1896 году Вин на основе дополнительных предположений вывел второй закон:где uν — плотность энергии излученияν — частота излученияT — температура излучающего телаC1,C2 — константы. Опыт показывает, что вторая формула Вина справедлива лишь в пределе высоких частот (малых длин волн). Она является частным конкретным случаем первого закона Вина. Попытка описать излучение абсолютно чёрного тела исходя из классических принципов термодинамики и электродинамики приводит к закону Рэлея — Джинса: Эта формула предполагает квадратичное возрастание спектральной плотности излучения в зависимости от его частоты. На практике такой закон означал бы невозможность термодинамического равновесия между веществом и излучением, поскольку согласно ему вся тепловая энергия должна была бы перейти в энергию излучения коротковолновой области спектра. Такое гипотетическое явление было названо ультрафиолетовой катастрофой. 4,4 Закон Планка Интенсивность излучения абсолютно чёрного тела в зависимости от температуры и частоты определяется законом Планка: где I(ν)dν — мощность излучения на единицу площади излучающей поверхности в диапазоне частот от ν до ν + dν. где u(λ)dλ — мощность излучения на единицу площади излучающей поверхности в диапазоне длин волн от λ до λ + dλ. 4,5 Различают фотоэффект внешний, внутренний и вентильный. Внешним фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Внешний фотоэффект наблюдается в твердых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриках), а также в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация). Фотоэффект обнаружен (1887 г.) Г. Герцем, наблюдавшим усиление процесса разряда при облучении искрового промежутка ультрафиолетовым излучением. Первые фундаментальные исследования фотоэффекта выполнены русским ученым А. Г. Столетовым. Принципиальная схема для исследования фотоэффекта приведена на рис. Два электрода (катод K из исследуемого металла и анод A - в схеме Столетова применялась металлическая сетка) в вакуумной трубке подключены к батарее так, что с помощью потенциометра R можно изменять не только значение, но и знак подаваемого на них напряжения. Ток, возникающий при освещении катода монохроматическим светом (через кварцевое окошко), измеряется включенным в цепь миллиамперметром. Облучая катод светом различных длин волн, Столетов установил следующие закономерности, не утратившие своего значения до нашего времени: 1) наиболее эффективное действие оказывает ультрафиолетовое излучение; 2) под действием света вещество теряет только отрицательные заряды; 3) сила тока, возникающего под действием света, прямо пропорциональна его интенсивности. 4,6 Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитных излучений. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком. Фотокатод — электрод вакуумного электронного прибора, непосредственно подвергающийся воздействию электромагнитных излучений. Зависимость спектральной чувствительности от частоты или длины волны электромагнитного излучения называют спектральной характеристикой фотокатода. Закон Столетова: при неизменном спектральном составе электромагнитных излучений, падающих на фотокатод, фототок насыщения пропорционален энергетической освещенности катода (иначе: число фотоэлектронов, выбиваемых из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности излучения) Для данного фотокатода максимальная начальная скорость фотоэлектронов зависит от частоты распространяющихся электромагнитных колебаний и не зависит от его интенсивности. Для каждого фотокатода существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота электромагнитного излучения ν0 при которой фотоэффект ещё возможен. 4,7 В работе Эйнштейна содержалась важная новая гипотеза — если Планк предположил, что свет излучается только квантованными порциями, то Эйнштейн уже считал, что свет и существует только в виде квантованных порций. Из закона сохранения энергии, при представлении света в виде частиц (фотонов), следует формула Эйнштейна для фотоэффекта: где Aout — т. н. работа выхода (минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из вещества), — кинетическая энергия вылетающего электрона, ν — частота падающего фотона с энергией hν, h — постоянная Планка. Из этой формулы следует существование красной границы фотоэффекта, то есть существование наименьшей частоты, ниже которой энергии фотона уже не достаточно для того, чтобы «выбить» электрон из металла. Суть формулы заключается в том, что энергия фотона расходуется на ионизацию атома вещества, на работу, которую необходимо совершить для того, чтобы «вырвать» электрон, и остаток переходит в кинетическую энергию электрона.Исследования фотоэффекта были одними из самых первых квантовомеханических исследований. 4,8 Фото́н (от др.-греч. φῶς, род. пад. φωτός, «свет») — элементарная частица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле — света). Это безмассовая частица, способная существовать только двигаясь со скоростью света. Заряд фотона также равен нулю. Фотон может находиться только в двух спиновых состояниях с проекцией спина на направление движения (спиральностью) ±1. Этому свойству в классической электродинамике соответствует круговая правая и левая поляризация электромагнитной волны. Фотону как элементарной частице свойственен корпускулярно-волновой дуализм, он проявляет одновременно свойства частицы и волны. Фотоны обозначаются буквой , поэтому их часто называют гамма-квантами (особенно фотоны высоких энергий); эти термины практически синонимичны. С точки зрения Стандартной модели фотон является калибровочным бозоном. Виртуальные фотоны являются переносчиками электромагнитного взаимодействия, таким образом обеспечивая взаимодействие, например, между двумя электрическими зарядами.[2] 4,9 Корпускулярно-волновой дуализм — теория в квантовой механике, гласящая, что в зависимости от системы отсчета поток электромагнитного излучения можно рассматривать и как поток частиц (корпускул), и как волну. В частности, свет — это и корпускулы (фотоны), и электромагнитные волны. Свет демонстрирует свойства волны в явлениях дифракции и интерференции при масштабах, сравнимых с длиной световой волны. Например, одиночные фотоны, проходящие через двойную щель, создают на экране интерференционную картину, определяемую уравнениями Максвелла.[1]. Тем не менее, эксперимент показывает, что фотон не есть короткий импульс электромагнитного излучения, например, он не может[источник не указан 26 дней] быть разделён на несколько пучков оптическими делителями лучей. Корпускулярные свойства света проявляются при фотоэффекте. Фотон ведет себя и как частица, которая излучается или поглощается целиком объектами, размеры которых много меньше его длины волны (например, атомными ядрами), или вообще могут считаться точечными (например, электрон). 4,10 Ядерная модель атома Резерфорда. На основании опытов по рассеванию альфа чтастиц тонкими металлическими фольгами. Согласно модели в ядре атома, малой по сравнению со всем атомом области, с размерами 10в-15 сосредоточен весь его положительный заряд и практически вся масса атома. Вокруг атома в области с лин разм 10в-10, движутся электроны, масса которых составляет лишь весьма малую часть массы. Также называтся планетарной. Атому свойственна исключительная устойчивость, орбиты электронов стационарны.Атом излучает энергию только при определённых условиях, излучение имеет линейчатый спектр Предполагали что атом постоянно должен терять энергию при излучении и должен быть неустойчивым, и имеет только непрерывный спектр. 4,12 Физика атомов, молекул и их коллективов, в частности кристаллов, а также атомных ядер и элементарных частиц изучается в квантовой механике. Объекты микромира, изучаемые квантовой механикой, имеют линейные размеры порядка см. Если частицы движутся со скоростями много меньше, чем скорость света в вакууме c, то применяется нерелятивистская квантовая механика; при скоростях близких к c — релятивистская квантовая механика. В основе квантовой механики лежат представления Планка о дискретном характере изменения энергии атомов, Эйнштейна о фотонах, данные о квантованности некоторых физических величин (например, импульса и энергии), характеризующих в определенных условиях состояния частиц микромира. Основополагающей в квантовой механике явилась идея о том, что корпускулярно-волновая двойственность свойств, установленная для света, имеет универсальный характер. Она должна проявляться для любых частиц, обладающих импульсом p. Все частицы, имеющие конечный импульс p, обладают волновыми свойствами, и их движение сопровождается некоторым волновым процессом. Гипотеза Де Бройля - корпускулярно волновая двойственность характерна не только для света. Pф=h/(lambda) предположил, что это соотношение имеет универсальный характер для любых частц, обладающих импульсом р: (lambda)=h/p -формула Де Бройля, для частицы массой м, движущейся со скоростью, меньшей скорости света, (l)=h/(mv), если частица имеет кинетическую энергию, учитывая что p=sqrt(2mW), то (l)=h/sqrt(2mW) 4,13 Волновая функция в квантовой механике, величина, полностью описывающая состояние микрообъекта (например, электрона, протона, атома, молекулы) и вообще любой квантовой системы (например, кристалла) Бегущая волна — волновое возмущение, изменяющееся во времени и пространстве согласно выражению А-амплитудная огибающая волны, — К-волновое число и — ф-фаза колебаний. Фазовая скорость Стоячая волна является частным случаем бегущей волны с Стоя́чая волна́ — колебания в распределенных колебательных системах с характерным расположением чередующихся максимумов (пучностей) и минимумов (узлов) амплитуды. Практически такая волна возникает при отражениях от преград и неоднородностей в результате наложения отражённой волны на падающую. При этом, крайне важное значение имеет частота, фаза и коэффициент затухания волны в месте отражения. Возникновение стоячей волны - очень сложное явление и характерно тем, что возникнуть "по желанию" (нашему) практически не может, а вот с целью внести паразитное воздействие на какой-либо интересующий нас процесс - легко и свободно 4,14 Волна любой природы полностью описывается её амплитудой и фазой, поэтому квантовая механика должна использовать именно такое описание. Функция волнового процесса представляет собой суперпозицию комплексных экспонент, взятых с определёнными весами (амплитудами). Отсюда описание системы (вообще любой, но актуально только микроразмерной) комплексной волновой функцией, амплитуда и фаза которой полностью определяют состояние такой системы. дно из отличий квантовой механики от обычной заключается в том, что вероятность обнаружить электрон в данном месте ещё не полностью определяет его состояние. Для описания состояния электрона используется комплексная вероятность. Волновая функция и есть значение этой комплексной вероятности. Плотность вероятности обнаружения электрона в данной точке равна квадрату модуля комплексной вероятности. Комплексность приводит к эффекту интерференции: если комплексная вероятность электрона оказаться в точке A после прохождения через одну щель равна p, а комплексная вероятность электрона оказаться в точке A после прохождения через вторую щель равна -p, то если разрешить электрону проходить через обе щели эта вероятность станет равна 0 — то есть в этой точке электрон оказаться не может. Обратите внимание, что вероятность ограниченного в возможностях электрона выражается ограниченным количеством волновых функций. В частности прохождение электрона через единственное отверстие достаточно малого радиуса описывается функцией аналогичной функции распространения точечного источника волны. Другим необычным свойством электронного «облака» является его неподатливость. Если мы со всех сторон начнём сдавливать это облако, стремясь уменьшить его размеры, то оно станет оказывать всё большее и большее давление. Т. е попытка ограничить размеры вероятного положения электрона приводит в пределе к бесконечному сопротивлению. Можно представить себе этот процесс, словно электрон начинает метаться по облачку, и чем меньше его размеры, тем сильнее он мечется, т. е. тем больше его кинетическая энергия. Однако отметьте, что такие представления в квантовой физике не могут быть чем-то большим, чем попыткой изобразить процесс. При экспериментах полной аналогии не наблюдается. Оно и понятно: квантовые частицы - не частицы и не волны, а что-то третье. Мы приходим к выводу: если мы пытаемся насильно избавить электрон от неопределённости в координате (придать ему чисто корпускулярные свойства), то мы неизбежно увеличиваем неопределённость в импульсе электрона (то есть стремимся сделать его чистой волной). Оказывается, произведение этих двух неопределённостей никогда не бывает меньше конкретной величины, постоянной Планка. Это соотношение называется соотношением неопределённостей. Аналогичные соотношения неопределённостей связывают и некоторые другие характеристики микрочастицы. Такие характеристики частицы называются дополнительными друг к другу.Общее словесное описание этого закона таково: создавая всё большую определённость в какой-либо одной характеристике частицы, природа уменьшает определённость в дополнительной ей характеристике.Важно понимать, что такое «квантовое дрожание» (обычно говорят нулевые колебания) локализованной микроскопической частицы неустранимо, и именно оно приводит к некоторым чисто квантовым явлениям. Например, даже при нулевой температуре, когда, согласно классической механике, никакого движения не должно быть, нулевые колебания по-прежнему остаются. Именно из-за этого жидкий гелий не затвердевает при нормальном давлении даже при нулевой температуре по Кельвину. 4,15 Основная задача квантовой механики: Найти уравнения по которым можно, по начальным условиям и заданным силам найти для любого момента времени координаты тела и его скорость. Так как состояние частцы в данный момент времени задаётся волновой функцией (PSI)(x,y,z,t) уравнение Шрёдингера -(h/i)(de(psi)/det=(-h^2/2m)delta(Psi)+U(x,y,z,t)(Psi), delta=d2/dx2+d2/dy2+d2/dz2-оператор Лапласа., где U()-потенциальная энергия частицы в силовом поле. - стационарное Ур-ние Шредингера. 4,16 Свободные частицы — термин, который используется в физике для обозначения частиц, которые не взаимодействуют с другими телами, и имеют только кинетическую энергию. Совокупность свободных частиц образовывает идеальный газ. Несмотря на простоту определения, в физике понятия свободной частицы играет очень большую роль, поскольку уравнение движения должны прежде всего удовлетворяться для свободных частичек. Квантовые частицы описываются уравнением Шредингера , Решения этого уравнения даются суперпозицией волновых функций, которые имеют вид,где - любое комплексное число.Волновой вектор К- является для свободной квантовомеханической частицы единственным квантовым числом. Свободная квантовая частица может находиться в состоянии со строго определённым волновым вектором. Тогда её импульс тоже строго определен и равняется В таком случае энергия частицы тоже определённая и равняется E. Однако, квантовая частица может находиться также в смешанном состоянии, в котором ни импульс, ни энергия не определены. 4,17 Потенциальна́я я́ма – область пространства, где присутствует локальный минимум потенциальной энергии частицы. Если в потенциальную яму попала частица, энергия которой ниже, чем необходимая для преодоления краёв ямы, то возникнут колебания частицы в яме. Амплитуда колебаний будет обусловлена собственной энергией частицы. Частица, находящаяся на дне потенциальной ямы, пребывает в состоянии устойчивого равновесия, то есть при отклонении частицы от точки минимума потенциальной энергии возникает сила, направленная в противоположную отклонению сторону. Если частица подчиняется квантовым законам, то даже несмотря на недостаток энергии она с определённой вероятностью может покинуть потенциальную яму. Потенциальный барьер — область пространства, разделяющая две другие области с различными или одинаковыми потенциальными энергиями. Характеризуется «высотой» — минимальной энергией классической частицы, необходимой для преодоления барьера. Противоположным понятием является потенциальная горка - область пространства, где присутствует локальный максимум потенциальной энергии. 4,18 Туннельный эффект, туннелирование — преодоление микрочастицей потенциального барьера в случае, когда её полная энергия (остающаяся при туннелировании неизменной) меньше высоты барьера. Туннельный эффект — явление исключительно квантовой природы, невозможное в классической механике; аналогом туннельного эффекта в волновой оптике может служить проникновение световой волны внутрь отражающей среды (на расстояния порядка длины световой волны) в условиях, когда, с точки зрения геометрической оптики, происходит полное внутреннее отражение. Явление туннелирования лежит в основе многих важных процессов в атомной и молекулярной физике, в физике атомного ядра, твёрдого тела и т. д. Осцилля́тор (от лат. oscillo — качаюсь) — физическая система, совершающая колебания, т.е. показатели которой периодически повторяются во времени. Термином "осциллятор" пользуются для любой системы, если описывающие её величины периодически меняются со временем. Понятие осциллятора играет важную роль в теории твёрдого тела, электромагнитных излучений, колебательных спектров молекул. Примеры простейших осцилляторов - маятник и колебательный контур. Назначение осцилляторов на финансовых рынках - улавливать колебания цен в короткие промежутки времени. В классической механике, гармонический осциллятор — это система, которая при смещении из положения равновесия испытывает действие возвращающей силы F, пропорциональной смещению x (согласно закону Гука): где k — положительная константа, описывающая жёсткость системы. Если F — единственная сила, действующая на систему, то систему называют простым или консервативным гармоническим осциллятором. Свободные колебания такой системы представляют собой периодическое движение около положения равновесия (гармонические колебания). Частота и амплитуда при этом постоянны, причём частота не зависит от амплитуды. 4,19 Ио́н (греч. ιόν — «идущий») — электрически заряженная частица (атом, молекула), образующаяся, обычно[1], в результате потери или присоединения одного или нескольких электронов атомами или молекулами. Заряд иона кратен заряду электрона. Понятие и термин ион ввёл в 1834 Майкл Фарадей, который, изучая действие электрического тока на водные растворы кислот, щелочей и солей, предположил, что электропроводность таких растворов обусловлена движением ионов. Решение уравнения Шрёдингера для водородного атома использует факт, что кулоновский потенциал является изотропным, то есть не зависит от направления в пространстве, другими словами обладает сферической симметрией. Хотя конечные волновые функции (орбитали) не обязательно сферически симметричны непосредственно, их зависимость от угловой координаты следуют полностью из этой изотропии основного потенциала: собственные значения оператора Гамильтона можно выбрать в виде собственных состояний оператора углового момента. уравнение Шредингера запишется следующим образом 4,20 Конфигурация электронного облака задает пространственную структуру атома Ввиду сложности волновой функции целесообразно рассмотреть сначала радиальное распределение плотности облака, а затем - угловое. [1] Конфигурация электронного облака зависит от положения орбиты, на которой находится электрон. [2]Всем предыдущим изложением предусматривалось, что при всяких изменениях вдоль пути реакции конфигурация электронных облаков соответствует конфигурации ядер атомов. [3]В этой реакции два атома галогена заменяют атом кислорода в карбонильной группе, существенно не изменяя конфигурацию электронного облака атома углерода. [4]Так, например, из теории следует, что атом углерода в предельных соединениях обязательно должен иметь тетраэдриче-скую конфигурацию электронного облака, образуя четыре так называемые сг-связи. В непредельных соединениях с двойной связью и ароматических соединениях углерод способен образовать три ог-связи, лежащие в одной плоскости и образующие друг с другом угол в 120, а четвертую связь ( так называемую тг-связъ) атом углерода образует за счет электрона ( /) - электрона), облако которого имеет ось симметрии, перпендикулярную к плоскости первых трех связей. Для соединений с тройной связью квантово-химические расчеты приводят к линейной конфигурации. Бо́ровский ра́диус (Ра́диус Бо́ра) , - радиус ближайшей к ядру орбиты электрона атома водорода в модели атома, предложенной Нильсом Бором в 1913 г. и явившейся предвестницей квантовой механики. В модели электроны движутся по круговым орбитам вокруг ядра, при этом орбиты электронов могут располагаться только на определённых расстояниях от ядра, в зависимости от их энергии.Боровский радиус имеет значение 5,2917720859(36)×10−11 м[1] (цифры в скобках указывают погрешность в последних значащих цифрах на уровне 1σ), то есть приблизительно 53 пм или 0.53 ангстрема. Это значение может быть вычислено в терминах других физических констан электрическая постоянная - постоянная Дирака или приведенная постоянная Планка, т.е. постоянная Планка , деленная на . - масса электрона - элементарный заряд - скорость света - постоянная тонкой структуры 4,21 пин (англ. spin — вертеть[-ся]) — собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого. Спином называют также собственный момент импульса атомного ядра или атома; в этом случае спин определяется как векторная сумма (вычисленная по правилам сложения моментов в квантовой механике) спинов элементарных частиц, образующих систему, и орбитальных моментов этих частиц, обусловленных их движением внутри системы. Спин измеряется в единицах (приведенных постоянных Планка, или постоянных Дирака) и равен J, где J — характерное для каждого сорта частиц целое (в т. ч. нулевое) или полуцелое положительное число — т. н. спиновое квантовое число, которое обычно называют просто спином (одно из квантовых чисел). В связи с этим говорят о целом или полуцелом спине частицы. Однако не следует путать понятия спин и спиновое квантовое число. Спиновое квантовое число — это квантовое число, определяющее величину спина квантовой системы (атома, иона, атомного ядра, молекулы), т. е. её собственного (внутреннего) момента импульса. 4,22 Принцип Паули или принцип исключения. – в любом атоме не может быть двух электронов, находящихся в одинаковом стационарном состоянии, определяемых набором квантовых чисел- главного l(1…3=spdf…n-1) орбитального n магнитного m спинового m_S Пространственное квантование – момент импульса электрона может иметь лишь такие ориентации в пространстве, при которых проекция на ось з вектора момента импульса Li на направление Z внешнего поля принимает квантовые значения кратные постоянной Планка. Liz=mh(x) где m – магнитное квантовое число, где v=(...+-l) Энергетические уровни зависят только от главного квантового числа. N=n_r(радиальн кв ч)+l+1 4,23 Если в атоме 2 и более электронов, то возможные их состояния определяются принципом Паули. Согласно этому принципу в атоме не может быть двух электронов в одинаковых состояниях, т.е. электронов с одинаковым набором значений квантовых чисел n, l, m и ms. Принцип Паули позволяет определить возможное число электронов в атоме с заданными значениями квантовых чисел n, l, m, ms Ядро образовано протонами и нейтронами. Протон — это частица, имеющая положительный заряд (+1).Нейтрон — это нейтральная частица, заряд ее равен 0.Из определений следует, что величина заряда ядра атома равна числу протонов и имеет положительное значение.Электронная оболочка образована электронами, заряд у которых отрицательный. Число электронов равно числу протонов, поэтому заряд атома в целом равен 0 (т. е. атом электронейтральная частица).исло протонов, а следовательно, заряд ядра и число электронов численно равны порядковому номеру химического элемента. Далее следует отметить, что практически вся масса атома сосредоточена в ядре. Это связано с тем, что масса электрона настолько меньше массы протона или нейтрона, что ею пренебрегают (не учитывают).Электроны двигаются вокруг ядра атома, не беспорядочно, а в зависимости от энергии, которой они обладают, образуя так называемый электронный слой. На каждом электронном слое может располагаться определенное число электронов: на первом — не больше двух, на втором — не больше восьми, на третьем — не больше восемнадцати. Число электронных слоев определяется по номеру периода, в котором расположен химический элемент.Число электронов на последнем (внешнем) слое определяется по номеру группы рассматриваемого элемента. 4,24 Таблица Менделеева. 1.порядков номер хим элемента равен общему числу электронов в атоме данного элемента. 2.состояние электронов в атоме определяется набором квантовых чисел, Распределение электронов в атомах должно удовлетворять принципу минимума энергии атома: с возрастанием числа электронов каждый следующий должен занять возможное энергетическое состояние с наименьшей энергией. 3.заполненеие электронами энергетических состояний должно происходить в соответствии с принципом Паули. 4,25 Теория Бора для водородоподобных систем. 1постул Существуют стационарные состояния атома в которых он не излучает энергию. Правило квантования орбит бора. В стационарном состоянии атома, электрон, двигаясь по круговой орбите, Должен иметь квантовые значения момента импульса., удовлетворяющие условию: Ln=m_evr=nh(c крестом) масса Эл, скорость Эл, радиус его орб. 2. при переходе атома из одного стационарного состояния в другое, испускается или поглощается один фотон. Правило частот Бора: - Изменение энергии атома, связанное с выделением или поглощением фотона, пропорционально частоте v: delta W=hню Боровские орбиты электрона представляют собой геометрическое место точек, в которых с наибольшей вероятностью может быть обнаружен электрон. 4,26 Ла́зер (англ. laser, сокр. от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — «Усиление света с помощью вынужденного излучения») — устройство, использующее квантовомеханический эффект вынужденного (стимулированного) излучения для создания когерентного потока света. Луч лазера может быть непрерывным, с постоянной амплитудой, или импульсным, достигающим экстремально больших пиковых мощностей. Во многих конструкциях рабочий элемент лазера используется в качестве оптического усилителя для излучения от другого источника. Усиленный сигнал очень точно совпадает с исходным по длине волны, фазе и поляризации, что очень важно в устройствах оптической связи. Обычные источники света, такие как лампа накаливания, излучают свет в разных направлениях с широким диапазоном длин волн. Большинство из них также некогерентны, то есть фаза излучаемой ими электромагнитной волны подвержена случайным флуктуациям. Излучение обычного источника не может, без применения специальных мер, дать устойчивую интерференционную картину. Кроме того, излучение нелазерных источников обычно не обладает фиксированной поляризацией. Напротив, монохроматичное излучение лазера когерентно, то есть имеет постоянную длину волны и предсказуемую фазу, а также определённую поляризацию.С другой стороны, некоторые типы лазеров, например жидкостные лазеры на растворах красителей или полихроматические твердотельные лазеры, могут генерировать целый набор частот (мод оптического резонатора) в широком спектральном диапазоне; это свойство делает возможной генерацию сверхкоротких импульсов порядка нескольких фемтосекунд (10−15 с) с помощью синхронизации мод.Лазеры созданы на стыке двух наук — квантовой механики и термодинамики, но, фактически, многие типы лазеров были созданы методом проб и ошибок. 4,27 А́том (др.-греч. ἄτομος — неделимый) — наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Атом состоит из атомного ядра и окружающего его электронного облака. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов, а окружающее его облако состоит из отрицательно заряженных электронов. Если число протонов в ядре совпадает с числом электронов, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называется ионом. Электрон является самой лёгкой из составляющих атом частиц с массой 9,11×10−28 г, отрицательным зарядом и размером, слишком малым для измерения современными методами.[1] Протоны обладают положительным зарядом и в 1836 раз тяжелее электрона (1,6726×10−24 г). Нейтроны не обладают электрическим зарядом и в 1839 раз тяжелее электрона (1,6929×10−24 г).[2] При этом масса ядра меньше суммы масс составляющих её протонов и нейтронов из-за эффекта дефекта массы. Нейтроны и протоны имеют сравнимый размер, около 2,5×10−15 м, хотя размеры этих частиц определены плохо.[3] Нукло́ны (от лат. nucleus — ядро) — общее название для протонов и нейтронов.С точки зрения электромагнитного взаимодействия протон и нейтрон разные частицы, так как протон электрически заряжен, а нейтрон — нет. Однако с точки зрения сильного взаимодействия, которое является определяющим в масштабе атомных ядер, эти частицы неразличимы, поэтому и был введен термин «нуклон», а протон и нейтрон стали рассматриваться как два различных состояния нуклона, различающихся проекцией изотопического спина. Близость свойств изоспиновых состояний нуклона является одним из проявлений изотопической инвариантности. 4,30 Элемента́рная части́ца — собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить (или пока это не доказано) на составные части. Их строение и поведение изучается физикой элементарных частиц. Понятие элементарных частиц основывается на факте дискретного строения вещества. Ряд элементарных частиц имеет сложную внутреннюю структуру, однако разделить их на части невозможно. Другие элементарные частицы являются бесструктурными и могут считаться первичными фундаментальными частицами. Со времён первого открытия элементарной частицы (электрона) в 1897 году обнаружено уже более 400 элементарных частиц. Фундаментальные (бесструктурные) частицы: лептоны — фермионы, которые имеют вид точечных частиц (т. е. не состоящих ни из чего) вплоть до масштабов порядка 10−18 м. Не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (электроны, мюоны, тау-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино. Известны 6 типов лептонов. кварки — дробнозаряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии не наблюдались. Как и лептоны, делятся на 6 типов и являются бесструктурными, однако, в отличие от лептонов, участвуют в сильном взаимодействии. калибровочные бозоны — частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия: фотон — частица, переносящая электромагнитное взаимодействие; восемь глюонов — частиц, переносящих сильное взаимодействие; три промежуточных векторных бозона W+, W− и Z0, переносящие слабое взаимодействие; гравитон — гипотетическая частица, переносящая г гравитационное взаимодействие. Существование гравитонов, хотя пока не доказано экспериментально в связи со слабостью гравитационного взаимодействия, считается вполне вероятным; однако гравитон не входит в Стандартную модель. 5,1 Предмет статической физики и термодинамики. Изучается состояние и поведение систем многих частиц, в зависимости от состояния/поведения частиц, образующих систему. Примеры систем многих частиц част: - Макроскопические тела, как совокупности структурных частиц: молекул, атомов, ионов с валентными электронами (в газах концентрация n=10^19см^-3, в жидкостях ^23) - Электромагнитное излучение, в частности свет, - совокупность фотонов – фотонный газ. -Совокупность фотонов- квазичастиц, соответствующих тепловым колебаниям кристаллической решётки; энергия тепловых колебаний квантуется, и её можно представить как совокупность порций энергии hv. - Совокупность электронов в атоме. - Совокупность протонов в ядрах атомов. - Совокупность нейтронов в ядрах атомов. - Совокупности различных квазичастиц. Методы описания поведения систем многих частиц: Динамический – аналогичен методам динамики. Мгновенное состояние системы описывается координатами и скоростями частиц системы. Состояние описанное столь детально, в каждый момент времени называется динамическим или микросостоянием. Неосуществимо из-за большого числа частиц, при нормальном состоянии газа каждая частица испытывает 10^9 столкновений в сек. Статический метод – состояние частиц характеризуется средними значениями механических величин, которые одинаковы для всех частиц и постоянны, если состояние системы не изменяется, в то время как состояния отдельных частиц будут разными, переменными, случайными. Средние значения рассчитываются на основе функций распределения частиц по состояниям: Максвелла-Больцмана, Бозе-Эйнштейна, Ферми-Дирака. Термодинамический метод – состояние системы описывается величинами, характеризующими состояние системы в целом: давление газа p, объём V, температура Т, концентрация молекул n, масса m, внутренняя энергия U, энтропия S, напряжённости электрического и магнитного полей. Состояние, описанное такими методами называется макросостоянием. Значения обусловлены совокупным поведением частиц, из которых состоит система.(Например температура – степень нагретости определяется средней кинетической энергией молекул Wк.с. Термодинамические параметры системы непрерывно и хаотично меняются со временем, такие изменения называются флуктуациями. Среднее же значение параметров стремиться к определённому пределу. Параметры бывают внешние и внутренние. Система называется открытой, если она может взаимодействовать с внешней средой. Равновесное состояние – постоянные внешние условия, неизменные параметры и отсутствие потоков. 5,2 Молекулярно кинетическое строение вещества. Основные положения МКТ Любое вещество состоит из молекул и имеет дискретное строение (обьясняется сжимаемостью). Молекула –наименьшая частица вещества, обладающая химическими свойствами в-ва. Эффективный диаметр10^-10 м, масса 10^-26кг. Молекулы непрерывно и хаотично движутся. Т определяется средней кинетической энергией движения молекул, хаотичное движение называется тепловым. Характер движения различен в разных агрегатных состояниях. Подтверждается броуновским движением и диффузией. (Броуновское движение – движение мелких твёрдых частиц, взвешенных в жидкости или газе. Диффузия – самопроизвольное проявление веществ друг в друге или самопроизвольное выравнивание концентрации вещества.) Молекулы взаимодействуют друг с другом. В зависимости от расстояния преобладает сила притяжения или сила отталкивания. Агрегатные состояния вещества. Твёрдое – молекулы вещества сильно связаны между собой и препятствуют деформации тела, совершают колебания около узлов кристаллической решетки. Жидкое – совершают колебания около центров равновесия и редко меняют своё положение. Газообразное – хаотично движутся. Плазменное. 5,3 Взаимодействие молекул.Молекулы состоят из + ядер и – электронов. Взаимодействие между молекулами электромагнитного происхождения. Между молекулами могут иметь место все виды хим. Связей (ионные, ковалентные, металл., водородн.)Межмолекулярные силы взаимодействия (Ван-дер-Ваальса.) различной природы (ориентационная, индукционная, дисперсная, отталкивающая.) Описываются приближёнными формулами с определёнными границами справедливости. , a1,a2,n,m – выбираются из требования наилучшей апроксимизации реального потенциала. В большинстве случаев m=12, n=6, а1,а2 – подбираются для конкретных молекул. Между молекулами одновременно действуют силы притяжения и отталкивания. Графики. Газ Ван-дер-Ваальса – модель реального газа. Соответствует модели твёрдых шаров. Силы отталкивания учитываются тем, что размеры молекул конечны. Проявляются эти силы только в момент столкновения. Между столкновениями молекула движется по инерции прямолинейно. Модель идеального газа Пренебрегают взаимодействиями молекул на расстоянии. Диаметр молекул равен нулю. Молекулы могут сближаться до расстояния, равного 0. Взаимодействуют только при столкновении. Длинна свободного пробега молекул в газах. Будем находить как отношение среднего пути, пройденного молекулой со скоростью v_o.c за время delta t к среднему числу столкновений с остальными молекулами за это время. ,если средняя арифметическая скорость молекулы равна v_a, то путь delta l_c = v_a*delta t. Воспользуемся моделью газа Ван-дер-Ваальса. Среднее число столкновений равно среднему числу остальных в объёме. Delta z_c=n*V, Где V – объём ломанного цилиндра описанного сферой ограждения S (2d) за время t. V=(pi*d^2)*v_o.c*delta t, где v_o.c*delta t –высота цилиндра, а sigm=(pi*d^2) , тогда delta z_c==(pi*d^2)*v_o.c*delta t*n, v_oc=sqrt(2)v_a, тогда delta z_c, а за ед времени z_c=delta z_c/delta t=..., z=v_a/lambda_c 5,4 Основное уравнение МКТ. Уравнение, выражающее связь давления идеального газа со средними значениями характеристик молекул, называется осн ур МКТ. Вводится давление (мех напр) p=dF_д/dS, -модуль нормальной силы, действующей на участок поверхности, при равном распределении: p=Fд/S, давление на стенки сосуда по 2 з-ну Ньютона Fд=delta p_x/delta t, p=delta p_x/(S*delta t) –давление равно импульсу передаваемому молекулами газа единице площади поверхности сосуда за единицу времени. Изменение импульса при ударе о стенку: delta p_x=m_M*v_x-(-m_M*v_x)=2m_M*v_x, если молекула летит под углом к стенке то изменение импульса по оси у =0, давление Fy=0.Ударения молекул о стенки будут проходить через промежуток времени delta t , необходимого для того, чтобы молекуле пересечь сосуд и вернуться обратно 2l. Delta t=2l/v_x. Средняя сила Fi=delta p_xi/delta t=1m_M*v_xi^2/2l=m_M*v_xi^2/l, сила со стороны всех молекул: F=summ(Fi)=(m_M/l)*summ(i)(v_xi^2) среднее значение квадрата х составляющей скорости: v_xc^2=1/Nsumm(v_xi^2), F=..., квадрат любой скорости равен сумме квадратов проекций, для v_k^2=v_...c^2, так как молеклы движутся хаотически, все эти проекции равны. И v_xc^2=1/3v_k^2, подставим в F=..., тогда p=F/S=..., получим основное уравнение динамики, выражающее давление идеального газа через концентрацию и среднюю квадратичную скорость молекул p=1/3nm_Mv_k^2, p пропорц n, p m_M, p v_k^2, можно записать в виде p=2/3nWk.c.п. – средняя скорость поступательного движения молекул. 5,5 Связь средней кинетической энергии молекул с абс температурой, согласно закону распределения энергии по степеням свободы. Ур-ние Менделеева-Клайперона - уравнение состояния идеального газа. При учёте соотношений p=m/v=nm_M, M=m_M*Na, R=kNa, принимает вид: p=nkT, с учётом формулы p=2/3n Wk.c.п., получим Wk.c.п.=3/2kT Также энергия связана кроме поступательного движения ещё и с вращательным и колебанием атомов. Позволяет вычислить её закон распределения энергии по степеням свободы. При любом числе степеней свободы молекулы три из них поступательные. Wксп=1/2mv_k^2=1/2mvxc^2+..yc..zc=Wxc+Wyz+Wzc, Wxc=Wyc=Wzc=1/3Wксп=1/2kT, Wвращ=1/2J_12*omega_c^2 Wкс=i’/2kT, Wc(полн)=i/2kT где i’=iпост+iвр+iкол, i=iпост+iвр+2iкол С точки зрения МКТ температура определятся средней кинетической энергией теплового движения отдельных молекул тела, а не внутренней (тепловой энергией тела) Uт=NWкс=m/MNa(i’/2)kT=i’/2m/MRT 5,6 Уравнение состояния.f(p,V,T) – функциональная зависимость, которая называется термическим уравнением состояния тела. Примерами являются Ур-ния Менделеева-Клапейрона и В-д-В. На основе опытных законов Бойля-Мариотта, Гей-Люссака и Шарля, описывающих соответственно изотермический, изобарный и изохорный процессы изменения состояния идеальных газов, было получено уравнение состояния. Ур-ние Менделеева-Клайперона При учёте соотношений p=m/v=nm_M, M=m_M*Na, R=kNa, принимает вид: p=nkT, с учётом формулы p=2/3n Wk.c.п., получим Wk.c.п.=3/2kT(вывод закона) Для данной массы и молекулярной масс = пост, можно запистать: Ур-ние Вдв. Для реальных газов уравнения менд-к. выпоняется до тех пор, пока давление не слишком высоко. При высоком давлении обьём газа меньше, соответствующего объёма идеального газа. Для реального газа оказывается недоступным объём, из-за других молекул (V-delta V) delta V=(m/M)b, где b-поправка на недост V в расчёте на 1 моль газа. B=4NaV_M, с учётом введённой поправки, уравнение состояния газа примет вид (Ур сост Клаузиуса0 p(v-(m/M)b)=(m/M)RT давление с учётом поправки delta p + p, тогда: (p+(m^2*a)/(M^2/V^2))V=m/MRT, где а – постоянная, характерная для газа. (p+(m^2*a)/(M^2/V^2))*(v-(m/M)b)= m/MRT –ур-ние Ван-дер-Ваальса. Изотермы реального газа и ВДВ Получаем Ур-ние умножив ВДВ на V^2 и раскрыв скобки – описвающее поведение газов –изотермы. 5,7 Внутренняя энергия и способы её изменения. Энергия, которая связана со всевозможными движениями частиц и их взаимодействием, энергию покой частиц называют внутренней. Внутреннюю энергию макроскопической системы можно представить как сумму кинетических энергий теплового движения молекул (поступ, вращ, кин эн атомов), потенциальных энергий взаимодействий молекул между собой, потенциальную энергию вз атомов в многоатом мол и кристаллах и внутренних энергий атомов. Внутренняя энергия явл функцией состояния системы.ЕWki Wпi Wпai Ui, чаще всго изучаются процессы при которых u=конст, и её отбрасывают. ,В модели идеального газа также отбрасывают пот эн вз, т.к. вз на расстоянии не учит., для одноат идел газа Wпаi=0, U=EWki U=NWc, где Wc средняя энергия молекул, а N=m/M Na, при учёте степеней свободы и i/2m/M RT.,для ВДВ U=m/Mc_vT-m^2/M^2 a/V Изменяется за счёт мех энергии при соверш раб над телом. За счёт внутр энергии других тел при теплообмене. Теплопередача за счёт теплопроводности, конвекции, электромагнитного излучения. Первый закон тд. При изменении внутренней энергии системы за счёт внутренней энергии других тел (притеплообмене, за счет мех эн др тел, изменение внутренней энергии системы dU равно сумме количества теплоты, сообщённого системе dQ и работы dA’ над системой. ΔU=Q+A’ (A=-A’) Q=delta U+A при изох проц Cv=dQv/dt=dU/dt, отношение Cv/Cp=гамма=i+2/i –показатель адиабаты. Количество теплоты и теплоёмкость. Q- энергия, переданная системе при теплообмене. C=dQ/dt, Суд= C/m, Q=mCуд(T2-T1) C-молярн=MC/m, Q идёт не только на нагревание но и на соверщ работы. Теплоёмкость ид газов при пост объёме cv= im/2MR cv=Cv*M/m Работа газа dA=pdV – при изм обьёма A=int(V1-V2)(pdV) 5,8 Изотермический процесс — термодинамический процесс, происходящий в физической системе при постоянной температуре. Несколько изотерм для идеального газа нa p-V диаграмме Для осуществления И. п. систему обычно помещают в термостат (массивное тело, находящееся в тепловом равновесии), теплопроводность которого велика, так что теплообмен с системой происходит достаточно быстро и её температура практически не отличается от температуры термостата. Можно осуществить И. п. иначе — с применением источников или стоков тепла, контролируя постоянство температуры с помощью термометров. К И. п. относится, например, кипение жидкости или плавление твёрдого тела при постоянном давлении. В идеальном газе при И. п. произведение давления на объём постоянно (Бойля — Мариотта закон). При И. п. системе, вообще говоря, сообщается определённое количество теплоты (или она отдаёт теплоту) и совершается внешняя работа. Работа, совершенная идеальным газом в И.п., равна где — Nчисло частиц газа, —T температура, и —V1V2 и объём газа в начале и конце процесса, —k- Постоянная Больцмана . В твёрдом теле и большинстве жидкостей И. п. очень мало изменяет объём тела, если только не происходит фазовый переход. Первый закон термодинамики для изотермического процесса записывается в виде: 5,9 Изохорический или изохорный процесс от др.-греч. ισος — «ровный», и chora — «пространство, занятое место») — это термодинамический процесс, который происходит при постоянстве объёма. В газах и жидкостях осуществляется очень просто: для этого достаточно нагревать (охлаждать) вещество в сосуде, который не изменяет своего объёма. При изохорическом процессе давление идеального газа прямо пропорциально его температуре (см. Закон Шарля). В реальных газах закон Шарля не выполняется, так как часть теплоты, которую получает система, расходуется на увеличение энергии взаимодействия частиц. На графиках изображается линиями, которые называются изохоры. Для идеального газа они являются прямыми во всех диаграммах, которые связывают параметры: T (температура), V (объем) и P (давление). Из определения работы следует, что изменение работы при изохорном процессе равна: Поскольку в системе при изохорном процессе происходит теплообмен с внешней средой, то происходит изменение энтропии. Из определения энтропии следует: ыше была выведена формула для определения количества теплоты. Перепишем ее в диференциальном виде: где ν — количество вещества, — молярная теплоемкостью при постоянном объеме. 5,10 Изобарный процесс (др.-греч. ισος, isos — «одинаковый» + βαρος, baros — «вес») — термодинамический процесс, происходящий в системе при постоянном внешнем давлении; на термодинамической диаграмме изображается изобарой. Пример изобарного процесса — расширение газа в цилиндре со свободно ходящим нагруженным поршнем. Если изобарный процесс происходит настолько медленно, что давление в системе можно считать постоянным и равным внешнему давлению, а температуpa меняется так медленно, что в каждый момент времени сохраняется термодинамическое равновесие, то изобарный процесс считается обратимым. Для осуществления изобарного процесса к системе надо подводить (или отводить) теплоту ΔQ, которая расходуется на работу расширения PdV и изменение внутренней энергии dU, то есть ΔQ = PdV + dU = TdS, dS — изменение энтропии, T — абсолютная температура. Для идеального газа при изобарном процессе объём пропорционален температуре (закон Гей-Люссака) в реальных газах часть теплоты расходуется на изменение средней энергии взаимодействия частиц. Работа, совершаемая при изобарных процессах равна произведению внешнего давления на изменение объёма, а для обратимых изобарных процессов внешнее давление равно внутреннему. Изменение энтропии при обратимом изобарном процессе равно 5,11 Теплоёмкость тела (обозначается C) — физическая величина, определяющая отношение бесконечно малого количества теплоты ΔQ, полученного телом, к соответствующему приращению его температуры ΔT: Единица измерения теплоёмкости в системе СИ — Дж/К.Удельная теплоёмкость вещества — теплоёмкость единицы массы данного вещества. Единицы измерения — Дж/(кг К).Молярная теплоёмкость вещества — теплоёмкость 1 моля данного вещества. Единицы измерения — Дж/(моль К).Если же говорить про теплоёмкость произвольной системы, то ее уместно формулировать в терминах термодинамических потенциалов — теплоёмкость есть отношение малого приращения количества теплоты Q к малому изменению температуры T: Понятие теплоёмкости определено как для веществ в различных агрегатных состояниях (твёрдых тел, жидкостей, газов), так и для ансамблей частиц и квазичастиц (в физике металлов, например, говорят о теплоёмкости электронного газа). Если речь идёт не о каком-либо теле, а о некотором веществе как таковом, то различают удельную теплоёмкость — теплоёмкость единицы массы этого вещества и молярную — теплоёмкость одного моля его. Для примера, в молекулярно-кинетической теории газов показывается, что молярная теплоёмкость идеального газа с i степенями свободы при постоянном объеме равна: R = 8.31 Дж/(моль К) — универсальная газовая постоянная.А при постоянном давлении 5,13 Цикл Карно. то есть, зависит только от температур холодильника и нагревателя. Видно, что 100%-ный КПД можно получить только в том случае, если температура холодильника есть абсолютный нуль, что недостижимо.Можно показать, что КПД тепловой машины Карно максимален в том смысле, что никакая тепловая машина с теми же температурами нагревателя и холодильника не может обладать бо́льшим КПД.Заметим, что мощность тепловой машины Карно равна нулю, так как передача тепла в отсутствие разности температур идёт бесконечно медленно. Термодинами́ческие ци́клы — круговые процессы в термодинамике, то есть такие процессы, в которых начальные и конечные параметры, определяющие состояние рабочего тела (давление, объём, температура, энтропия) совпадают.Идеализированные термодинамические циклы являются приближениями процессов, происходящих в реальных тепловых машинах для превращения тепловой энергии (то есть, внутренней энергии) в механическую работу, а также для охлаждения (при использовании обратного цикла).Тепловая машина состоит из рабочего тела, которое и проходит цикл, нагревателя и холодильника (с помощью которых меняется состояние рабочего тела).Обратимым называют цикл, который можно провести как в прямом, так и в обратном направлении в замкнутой системе. Суммарная энтропия системы при прохождении такого цикла не меняется. Единственным обратимым циклом для машины, состоящей только из рабочего тела, нагревателя и холодильника, является Цикл Карно. Существуют также циклы Стирлинга и Эрикссона, в которых обратимость достигается путём введения дополнительного прибора — регенератора. Можно показать (см. статью Цикл Карно), что обратимые циклы обладают наибольшей эффективностью. 5,14 Обратимые и необратимые процессы. Можно считать равновесным процесс., (квазистатическим, квазиравновесным), протекающий настолько медленно, что отклонения от параметров системы от равновесных, пренебрежимо мало.(последовательность равновесных состояний. При изменении направления равновесного процесса система будет проходить те же равновесные состояния что при прямом ходе, поэтому их называют обратимыми. (любое промеж состояние явл сост термодинам равновесия и не зав от напр)Такие процессы не вызывают изменений в окр среде и могут прох самопроизвольно. Реальные процессы, в природе протекают с конечной скоростью и сопровождаются рассеиванием энергии за счёт трения, теплопров, и т.д., и явл необрат., для их возвр в исх сост, необх компенс процесс, связ с остат изм. 5,15 Энтропия системы. Энтропией системы для обратимого процесса называют S=klnP, где Р –термодинам вероятность макросостояния, к – пост Больцмана. (величина, приращение кот = отнош получ сист в ходе обр проц теплоты к Т системы. Число различных микросостояний delta N, посредством которого осуществляется данное макросостояние, называется тд вероятностью. deltaN=P, Все микросостояния системы равновероятны. Тогда возможно всего 4 распределения. Полная хаотичность приводит к тому, что все распределения встречаются одинаково часто. Вероятность какого либо одного события w1=1/N –мат вероятность макросост. .таблица. Пусть есть сосуд, разделённый на две части, и две молекулы, помеченные. dS=dQ/T – формула Больцмана, выражающая связь энтропии в термодинамике с энтропией в статистич физике. Энтропия изолированной системы возрастает. Энтропия – степень беспорядочности состояния макросистемы. Энтропию также можно записать в виде: ds=CvdT/T+(p/T)dV=m/McvdT/T+pdV/Tисп ф-лу М-К, получим: m/M(cvdT/T+RdV/V), при изотерм delta S=Q/T изохорном =m/M*c_v*ln(T2/T1) При изобарном =m/M*c_p*ln(T2/T1), при адиабатном =0=int(1,2)(dQ/dT) при круговом, инт от дС (1,1) =0 5,16 Случай, когда молекулы распределены равномерно, соответствует равновесному состоянию системы (выравнивание давления p во всех точках системы).В равновесном состоянии термодинамическая вероятность системы максимальна, и она резко убывает при переходе в неравновесное состояние. Следовательно, равновесное состояние - это наиболее вероятное состояние. Термодинамическая вероятность -- величина не аддитивная.Физика имеет дело с аддитивными величинами(энергия, импульс и т.п.). Следовательно, физический смысл имеет величина ln W = ln WI + ln WII. Cтатистический смысл энтропии: энтропия системы пропорциональна логарифму ее термодинамической вероятности: S=k*ln W. Вывод: энтропия максимальна тогда же, когда и термодинамическая вероятность W, т.е. в равновесном состоянии системы. Энтропийные силы стремятся привести систему в равновесие, когда ее молекулы движутся наиболее беспорядочно, в состояние теплового хаоса. Энтропия - это мера теплового беспорядка системы. Пользуясь этим выводом, можно сформулировать второе начало термодинамики следующим образом: все физические процессы в природе идут в таком направлении, чтобы привести термодинамическую систему в равновесие, когда ее энтропия максимальна. 5,17 Явления переноса - потоки энергии, вещества, импульса упроядоченного движения частиц, характерные для неравновесных состояний газов. Теплопроводность возникает при наличии разности температур, вызванной к-л внешними причинами. При этом молекулы газа в разных местах его объёма имеют разные кинетические энергии и хаотическое тепловое движение молекул приводит к направленному переносу внутренней энергии тела. Молекулы, попавшие из более нагретых частей объёма, попадая в более холодные, отдают часть своей энергии окр. частицам. И наоборот. Происходит это за счёт соударений. Внутреннее трени - вязкость, связанное с возникновением сил трения между слоями газа или жидкости, перемещающимися параллельно друг другу, с разл по модулю скоростями. Со стороны слоя дв быстрее возникает ускор сила. Силы трения напр по касательной. С т.з. МКТ причиной вязкости является наложение упорядоченного движения слоёв газа с различными скоростями и хаотичного теплового движения молекул. Диффузией явление самопроизвольного взаимного проникновения и перемещения частиц двух соприкасающихся газов (жидкостей, тв. Тел). В химически чистых газах при постоянной температуре диффузия возникает вледствие неодинаковой плотности в различных частях газа. Для смеси газов диффузия взывается различием концентрации отдельных газов в различных частях объёма смеси. При постоянной температуре явление диффузии заключается в переносе массы газа из мест с большей концентрацией в места с меньшей. Все явления возникают в результате нарушения полной хаотичности движения молекул. Это вызванно направленным воздействием на газ, в случае диффузии приводящее к к неоднородной плотности, теплопроводности - к разной температуре по объёму. Это сопровождаетсяотклонением от Максвелловского распределения по скоростям. Этими отклонениями обьясняется направленный перенос массы, импульса и внутренней энергии в газах. 5,18 Диффузия (лат. diffusio — распространение, растекание, рассеивание) — процесс переноса материи или энергии из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией. Самым известным примером диффузии является перемешивание газов (например, молекулы духов смешиваются с молекулами газов воздуха, и аромат духов можно почувствовать, стоя вдали от человека, надушившегося ими) или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной) Все виды диффузии подчиняются одинаковым законам. Скорость диффузии пропорциональна площади поперечного сечения образца, а также разности концентраций, температур или зарядов (в случае относительно небольших величин этих параметров). Так тепло будет в четыре раза быстрее распространяться через стержень с диаметром в два сантиметра, чем через стержень с диаметром в один сантиметр. Диффузия представляет собой процесс на молекулярном уровне и определяется случайным характером движения отдельных молекул. Скорость диффузии пропорциональна в связи с этим средней скорости молекул. В случае газов средняя скорость малых молекул больше, а именно она обратно пропорциональна квадратному корню из массы молекулы и растёт с повышением температуры. Диффузионные процессы в твёрдых телах при высоких температурах часто находят практическое применение. Например, в определённых типах электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) применяется металлический торий, продиффундировавший через металлический вольфрам при 2000 °C . В большинстве практических случаев вместо химического потенциала применяется концентрация C. Прямая замена µ на C становится некорректной в случае больших концентраций, так как химический потенциал связан с концентрацией по логарифмическому закону. Если не рассматривать такие случаи, то выше приведённую формулу можно заменить на следующую: которая показывает, что плотность потока вещества J [cm - 2s - 1] пропорциональна коэффициенту диффузии D [(cm2s - 1)] и градиенту концентрации. Это уравнение выражает первый закон Фика (Адольф Фик — немецкий физиолог, установивший законы диффузии в 1855 г.). Второй закон Фика связывает пространственное и временное изменения концентрации (уравнение диффузии): Коэффициент диффузии D зависит от температуры. В ряде случаев в широком интервале температур эта зависимость представляет собой уравнение Аррениуса. 5,19 Теплопрово́дность — это перенос теплоты структурными частицами вещества (молекулами, атомами, электронами) в процессе их теплового движения. Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества. Явление теплопроводности заключается в том, что кинетическая энергия атомов и молекул, которая определяет температуру тела, передаётся другому телу при их взаимодействии или передаётся из более нагретых областей тела к менее нагретым областям. Иногда теплопроводностью называется также количественная оценка способности конкретного вещества проводить тепло. Исторически считалось, что передача тепловой энергии связана с перетеканием теплорода от одного тела к другому. Однако более поздние опыты, в частности, нагрев пушечных стволов при сверлении, опровергли реальность существования теплорода как самостоятельного вида материи. Соответственно, в настоящее время считается, что явление теплопроводности обусловлено стремлением занять состояние более близкое к термодинамическому равновесию, что выражается в выравнивании температуры. В установившемся режиме поток энергии, передающейся посредством теплопроводности, пропорционален градиенту температуры: Коэффициент теплопроводности вакуума стремится к нулю. Это связано с низкой концентрацией в вакууме материальных частиц, способных переносить тепло. Тепло в вакууме передаётся только излучением. Поэтому для уменьшения теплопотери стенки термоса делают двойными, серебрят (такая поверхность хуже излучает и лучше отражает), а воздух между ними откачивают. Следует отметить, что закон Фурье не учитывает инерционность процесса теплопроводности, то есть в данной модели изменение температуры в какой-то точке мгновенно распространяется на всё тело. Закон Фурье не применим для описания высокочастотных процессов (и, соответственно, процессов, чьё разложение в ряд Фурье имеет значительные высокочастотные гармоники). Примерами таких процессов являются распространение ультразвука, ударные волны и т. д. Инерционность в уравнения переноса первым ввел Максвелл[1], а в 1948 году Каттанео был предложен вариант закона Фурье с релаксационным членом:[2] Если время релаксации τ пренебрежимо мало, то это уравнение переходит в закон Фурье. 5,20 Атомы в твердом теле связаны между собой, и теплота передается через их колебания. Поэтому при нагревании какого-либо участка тела амплитуда колебаний атомов этого участка увеличивается и кинетическая энергия колебаний переносится к более холодному участку. Колебания атомов в кристалле не являются чисто гармоническими, и силы взаимодействия нелинейно зависят от смещения атомов. При рассмотрении явления электропроводности было введено два понятия: удельной электропроводности g и удельного электросопротивления r = 1 / g . Аналогично и для явления теплопроводности, кроме величины теплопроводности λl , можно ввести понятие теплового сопротивления W = 1 /λ. Если в газах теплота переносится движением молекул, то в кристаллах - движением фононов. В результате решеточное теплосопротивление обусловлено рассеянием фононов на дефектах кристаллической решетки (в частности, примесях), электронах и других фононах. 5,21 Вя́зкость (вну́треннее тре́ние) — одно из трёх явлений переноса, свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Вязкость твёрдых тел обладает рядом специфических особенностей и рассматривается обычно отдельно.Различают динамическую вязкость (единицы измерения: пуаз, Па·с) и кинематическую вязкость (единицы измерения: стокс, м²/с, внесистемная единица — градус Энглера). Кинематическая вязкость может быть получена как отношение динамической вязкости к плотности вещества и своим происхождением обязана классическим методам измерения вязкости, таким как измерение времени вытекания заданного объема через калиброванное отверстие под действием силы тяжести. Сила вязкого трения пропорциональна скорости относительного движения V тел, пропорциональна площади S и обратно пропорциональна расстоянию между плоскостями h. Коэффициент пропорциональности, зависящий от сорта жидкости или газа, называют коэффициентом динамической вязкости. Самое важное в характере сил вязкого трения то, что тела придут в движение при наличии сколь угодно малой силы, то есть не существует трения покоя. Это отличает вязкое трение от сухого. Ньютоновскими называют жидкости, для которых вязкость не зависит от скорости деформации. Если вязкость падает при увеличении скорости, жидкость называется тиксотропной. Для неньютоновских жидкостей методика измерения вязкости получает первостепенное значение. Внутреннее трение жидкостей, как и газов, возникает при движении жидкости вследствие переноса импульса в направлении, перпендикулярном к направлению движения. Общий закон внутреннего трения — закон Ньютона: оэффициент вязкости η может быть получен на основе соображений о движениях молекул. Очевидно, что η будет тем меньше, чем меньше время t «оседлости» молекул. Эти соображения приводят к выражению для коэффициента вязкости, называемому уравнением Френкеля-Андраде: η = Cew / kT 5,22 Закон Ома в дифференциальной форме Сопротивление R зависит как от материала, по которому течёт ток, так и от геометрических размеров проводника. Полезно переписать закон Ома в так называемой дифференциальной форме, в которой зависимость от геометрических размеров исчезает, и тогда закон Ома описывает исключительно электропроводящие свойства материала. Для изотропных материалов имеем: где: j— вектор плотности тока,σ — удельная проводимость,Е — вектор напряжённости электрического поля.Все величины, входящие в это уравнение, являются функциями координат и, в общем случае, времени. Если материал анизотропен, то направления векторов плотности тока и напряжённости могут не совпадать. В этом случае удельная проводимость является тензором ранга (1, 1).Раздел физики, изучающий течение электрического тока в различных средах, называется электродинамикой сплошных сред. Уде́льная проводи́мость (Уде́льная электропрово́дность) — мера способности вещества проводить электрический ток. (Точнее следует говорить об электропроводности среды, т.к. не имеется в виду обязательно химически чистое вещество; эта величина различна для разных веществ или смесей, сплавов и т.п.). В линейном изотропном веществе плотность возникающего тока прямо пропорциональна электрическому полю (см. Закон Ома) 5,24 Коэффициент электpопpоводности металлов хаpактеpизует, их электpопpоводящую способность и зависит от стpоения и стpуктуpных свойств металла. У pазличных металлов он pазный. Теоpия электpопpоводности позволяет вычислить коэффициент s для того или иного металла. За обpазование тока в металлах ответственны валентные электpоны. Из-за сильной связи между атомами в металлах электpоны могут легко пеpемещаться от атома к атому и в отсутствие поля. В связи с этим в основу теоpии электpопpоводности металлов можно положить следующую модель: основу металла обpазует ионная кpисталлическая pешетка, в узлах котоpой ионы совеpшают беспоpядочное колебательное движение. Ионная pешетка погpужена в "электpонный газ", отдельные электpоны котоpого совеpшают хаотическое движение, вpемя от вpемени сталкиваясь с ионами pешетки и дpуг с дpугом. Когда металл помещают в электpическое поле, на каждый электpон действует электpическая сила, сообщающая электpонам ускоpение, напpавленное пpотив вектоpа напpяженности поля. В pезультате в электpическом поле электpоны газа участвуют одновpеменно в двух движениях: в беспоpядочном тепловом, для котоpого хаpактеpна некотоpая сpедняя длина свободного пpобега, и в упоpядоченном движении (дpейфе) пpотив вектоpа Е. В качестве основного постулата теоpии пpимем допущение, что "электpонный газ" в его тепловом движении подчиняется закону Больцмана, а упоpядоченное движение под действием поля подчиняется законам механики Ньютона. Теоpия, основанная на этом постулате, называется классической теоpией электро-пpоводности. В пеpвую очеpедь покажем, что, pассматpивая тепловое движение "электpонного газа", можно не учитывать его движения под действием поля, т.е. покажем, что сpедняя скоpость теплового движения <u> значительно пpевышает скоpость упоpядоченного движения v. Для этого оценим последнюю. Пусть ток таков, что чеpез сечение в 1 мм2 пpотекает ток в 100 А. Скоpость электpонов найдем по фоpмуле где n - число электpонов в единице объема. Допустим, что каждый атом поставляет в "электpонный газ" один электpон. Тогда n можно найти по фоpмуле где NA - число Авогадpо, m - масса киломоля, rm - массовая плотность металла.