1. Необратимость тепловых процессов;

2. Второй закон термодинамики и его статистическое истолкование.

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Первый закон термодинамики – закон сохранения энергии для тепловых процессов – устанавливает связь между количеством теплоты Q, полученной системой, изменением ΔU ее внутренней энергии и работой A, совершенной над внешними телами: Q = ΔU + A.

Согласно этому закону, энергия не может быть создана или уничтожена; она передается от одной системы к другой и превращается из одной формы в другую. Процессы, нарушающие первый закон термодинамики, никогда не наблюдались.

Первый закон термодинамики не устанавливает направления тепловых процессов. Однако, как показывает опыт, многие тепловые процессы могут протекать только в одном направлении. Такие процессы называются необратимыми. Например, при тепловом контакте двух тел с разными температурами тепловой поток всегда направлен от более теплого тела к более холодному. Никогда не наблюдается самопроизвольный процесс передачи тепла от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой. Следовательно, процесс теплообмена при конечной разности температур является необратимым.

Английский физик У. Кельвин дал в 1851 г. следующую формулировку второго закона:

«В циклически действующей тепловой машине невозможен процесс, единственным результатом которого было бы преобразование в механическую работу всего количества теплоты, полученного от единственного теплового резервуара.»

Гипотетическую тепловую машину, в которой мог бы происходить такой процесс, называют вечным двигателем второго рода. В земных условиях такая машина могла бы отбирать тепловую энергию, например, у Мирового океана и полностью превращать ее в работу. Масса воды в Мировом океане составляет примерно 10²¹ кг, и при ее охлаждении на один градус выделилось бы огромное количество энергии (≈ 10²⁴ Дж), эквивалентное полному сжиганию 10¹⁷ кг угля. Ежегодно вырабатываемая на Земле энергия приблизительно в 10⁴ раз меньше. Поэтому вечный двигатель второго рода был бы для человечества не менее привлекателен, чем вечный двигатель первого рода, запрещенный первым законом термодинамики.

Немецкий физик Р. Клаузиус дал другую формулировку второго закона термодинамики:

«Невозможен процесс, единственным результатом которого была бы передача энергии путем теплообмена от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой.»

Второй закон термодинамики непосредственно связан с необратимостью реальных тепловых процессов. Энергия теплового движения молекул качественно отличается от всех других видов энергии – механической, электрической, химической и т. д. Энергия любого вида, кроме энергии теплового движения молекул, может полностью превратиться в любой другой вид энергии, в том числе и в энергию теплового движения. Последняя может испытать превращение в любой другой вид энергии лишь частично. Поэтому любой физический процесс, в котором происходит превращение какого-либо вида энергии в энергию теплового движения молекул, является необратимым процессом, т. е. он не может быть осуществлен полностью в обратном направлении.

Общим свойством всех необратимых процессов является то, что они протекают в термодинамически неравновесной системе и в результате этих процессов замкнутая система приближается к состоянию термодинамического равновесия.

Билет №23 (2)

1. Ядерные реакции:

2. законы сохранения при ядерных реакциях,

3. цепные ядерные реакции;

4. ядерная энергетика;

5. термоядерные реакции.

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

В 1932 г. английский физик Джеймс Чедвик открыл частицы с нулевым электрическим зарядом и единичной массой. Эти частицы назвали нейтрона­ми. Обозначается нейтрон п. После открытия ней­трона физики Д. Д. Иваненко и Вернер Гейзенберг в 1932 г. выдвинули протонно-нейтронную модель атомного ядра. Согласно этой модели ядро атома лю­бого вещества состоит из протонов и нейтронов. (Об­щее название протонов и нейтронов — нуклоны.) Число протонов равно заряду ядра и совпадает с но­мером элемента в таблице Менделеева. Сумма числа протонов и нейтронов равна массовому числу. На­пример, ядро атома кислорода ¹⁶₈O состоит из 8 про­тонов и 16 - 8 = 8 нейтронов. Ядро атома ²³⁵₉₂U со­стоит из 92 протонов и 235 - 92 = 143 нейтронов.

Химические вещества, занимающие одно и то же место в таблице Менделеева, но имеющие разную атомную массу, называются изотопами. Ядра изото-пов отличаются числом нейтронов. Например, водо­род имеет три изотопа: протий — ядро состоит из од­ного протона, дейтерий — ядро состоит из одного протона и одного нейтрона, тритий — ядро состоит из одного протона и двух нейтронов.

Если сравнить массы ядер с массами нукло­нов, то окажется, что масса ядра тяжелых элементов больше суммы масс протонов и нейтронов в ядре, а для легких элементов масса ядра меньше суммы масс протонов и нейтронов в ядре. Следовательно, су­ществует разность масс между массой ядра и суммой масс протонов и нейтронов, называемая дефектом массы. М = Μ_я - (M_p + Μ_n).

Так как между массой и энергией существует связь Е = mc², то при делении тяжелых ядер и при синтезе легких ядер должна выделяться энергия, существующая из-за дефекта масс, и эта энергия на­зывается энергией связи атомного ядра. Е_св = Мс².

Выделение этой энергии может происходить при ядерных реакциях.

Ядерная реакция — это процесс изменения заряда ядра и его массы, происходящий при взаимо­действии ядра с другими ядрами или элементарными частицами. При протекании ядерных реакций вы­полняются законы сохранения электрических заря­дов и массовых чисел: сумма зарядов (массовых чи­сел) ядер и частиц, вступающих в ядерную реакцию, равна сумме зарядов (массовых чисел) конечных про­дуктов (ядер и частиц) реакции.

Цепная реакция деления — это ядерная ре­акция, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции. Необходи­мым условием для развития цепной реакции деления является требование k > 1, где k -— коэффициент размножения нейтронов, т. е. отношение числа ней­тронов в данном поколении к их числу в пре­дыдущем поколении. Способностью к цепной ядер­ной реакции обладает изотоп урана ²³⁵U. При нали­чии определенных критических параметров (крити­ческая масса — 50 кг, шаровая форма радиусом 9 см) три нейтрона, выделившиеся при делении пер­вого ядра попадают в три соседних, ядра и т. д. Про­цесс идет в виде цепной реакции, которая протекает за доли секунды в виде ядерного взрыва. Неуправ­ляемая ядерная реакция применяется в атомных бомбах. Впервые решил задачу об управлении цеп­ной реакцией деления ядер физик Энрико Ферми. Им был изобретен ядерный реактор в 1942 г. У нас в стране реактор был запущен в 1946 г. под руковод­ством И. В. Курчатова.

Термоядерные реакции — это реакции синте­за легких ядер, происходящие при высокой темпера­туре (примерно 10⁷ К и выше). Необходимые условия для синтеза ядер гелия из протонов имеются в нед­рах звезд. На Земле термоядерная реакция осущест­влена только при экспериментальных взрывах, хотя ведутся международные исследования по управлению этой реакцией.

Билет №24 (1)

1. Элементарный электрический заряд;

2. два вида электрических зарядов,

3. закон сохранения электрического заряда:

4. закон Кулона,

5. электрическое поле: напряжённость электрического поля;

6. линии напряжённости электрического поля;

7. принцип суперпозиции электрических полей.

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Законы взаимодействия атомов и молекул удается понять и объяснить на основе знаний о строении атома, используя планетарную модель его строения. В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются по определенным орбитам отрицательно заряженные частицы. Взаимодействие между заряженными час­тицами называется электромагнитным. Интенсив­ность электромагнитного взаимодействия опреде­ляется физической величиной — электрическим за­рядом, который обозначается q. Единица измерения электрического заряда — кулон (Кл). 1 кулон — это такой электрический заряд, который, проходя через поперечное сечение проводника за 1 с, создает в нем ток силой 1 А. Способность электрических зарядов как к взаимному притяжению, так и к взаимному отталкиванию объясняется существованием двух ви­дов зарядов. Один вид заряда назвали положитель­ным, носителем элементарного положительного за­ряда является протон. Другой вид заряда назвали отрицательным, его носителем является электрон. Элементарный заряд равен е=1,6•10^-19 Кл.

Заряд тела всегда представляется числом, кратным величине элементарного заряда:q=e(N_p-N_e) где N_p — количество электронов, N_e — количество протонов.

Полный заряд замкнутой системы (в которую не входят заряды извне), т. е. алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной: q₁ + q₂ + ...+q_n = const. Электрический заряд не создается и не исчезает, а только переходит от одного тела к друго­му. Этот экспериментально установленный факт на­зывается законом сохранения электрического заря­да. Никогда и нигде в природе не возникает и не ис­чезает электрический заряд одного знака. Появление и исчезновение электрических зарядов на телах в большинстве случаев объясняется переходами эле­ментарных заряженных частиц — электронов — от одних тел к другим.

Электризация — это сообщение телу электри­ческого заряда. Электризация может происходить, например, при соприкосновении (трении) разно­родных веществ и при облучении. При электризации в теле возникает избыток или недостаток электронов.

В случае избытка электронов тело приобретает отрицательный заряд, в случае недостатка — поло­жительный.

Законы взаимодействия неподвижных элек­трических зарядов изучает электростатика.

Основной закон электростатики был экспери­ментально установлен французским физиком Шар­лем Кулоном и читается так. Модуль силы взаимо­действия двух точечных неподвижных электриче­ских зарядов в вакууме прямо пропорционален про­изведению величин этих зарядов и обратно пропор­ционален квадрату расстояния между ними.

F = k • q₁q₂/r², где q₁ и q₂— модули зарядов, r — расстояние между ними, k — коэффициент пропор­циональности, зависящий от выбора системы еди­ниц, в СИ k = 9 • 10⁹ Н • м²/Кл². Величина, показывающая во сколько раз сила взаимодействия зарядов в вакууме больше, чем в среде, называется диэлектрической проницаемостью среды ε. Для среды с диэлектрической проницае­мостью ε закон Кулона записывается следующим об­разом: F= k • q₁q₂/(ε•r²)

Вместо коэффициента k часто используется коэффициент, называемый электрической постоян­ной ε₀. Электрическая постоянная связана с коэффи­циентом k следующим образом k = 1/4π ε₀ и численно равна ε₀=8,85 • 10^-12 Кл/Н • м².

С использованием электрической постоянной закон Кулона имеет вид:F=(1/4π ε₀ )• (q₁q₂ /r²)

Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим, или кулоновским, взаимодействием. Кулоновские силы мож­но изобразить графически (рис. 14, 15).

Кулоновская сила направлена вдоль прямой, соединяющей заряженные тела. Она является силой притяжения при разных знаках зарядов и силой от­талкивания при одинаковых знаках.

Билет №24 (2)

1. Магнитные свойства вещества.

2. Гипотеза Ампера.

3. Магнитная проницаемость.

4. Температура Кюри.

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Магнитное поле – неразрывно связанная с током материальная среда, через которую осуществляется взаимодействие на расстоянии проводников с током. Магнитное поле обладает энергией, которая непрерывно распределена в пространстве. Магнитное поле создается либо движущимися электрическими зарядами, либо переменным электрическим полем и действует только на движущиеся заряды. Магнитные поля токов одинакового направления усиливают друг друга, а токов противоположного направления ослабляют друг друга.

Магнитные свойства вещества. Вещества бывают парамагнитными, ферромагнитные и диамагнитные. Парамагнитные- вещества, магнитная проницаемость которых немного больше, чем у вакуума. Попадая в магнитное поле, они немного усиливают его у конца стержня за счет своего магнетизма, и ослабляют его рядом со стержнем. Ферромагнитные- вещества, магнитная проницаемость которых во много раз больше, чем у вакуума. Попадая в магнитное поле, они намагничиваются и значительно усиливают его за счет своего магнетизма у полюсов. Диамагнитные- вещества, магнитная проницаемость которых меньше, чем у вакуума. Они ослабляют у концов магнитное поле, в которое попали. Магнитное поле внутри диамагнитного вещества меньше, чем снаружи.

Ферромагнетики – вещества, магнитная проницаемость которых во много раз больше, чем у вакуума. Их применяют для получения сильного магнитного поля. Попадая в магнитное поле, они намагничиваются и значительно усиливают его за счет своего магнетизма у полюсов. В их атомах есть электроны, которые, двигаясь по орбитам вокруг ядер, совершают вращение вокруг своей оси. Магнитные поля таких электронов очень сильные и так расположены в пространстве, что при наложении усиливают друг друга. Внешнее магнитное поле у полюсов ферромагнетиков велико, так как велико и внутреннее

Температура Кюри при температуре, большей некоторой определённой для данного ферромагнетика, ферромагнитные св-ва его исчезают. Эту температуру назыв. Температурой Кюри по имени открывшего это явление фран. Учёного. Если сильно нагреть намагниченный гвоздь, то он потеряет способность притягивать к себе железные предметы. Для железа-753⁰С, никель 363⁰С, кобальт 1000 ⁰С. сущ-т ферромагнитные сплавы, у которых температура Кюри меньше 100ºC.

Билет №25 (1)

1. Работа сил электрического поля.

2. Потенциальность электрического поля.

3. Потенциал и разность потенциалов;

4. эквипотенциальные поверхности, связь между напряжённостью и разностью потенциалов.

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Р абота при перемещении заряда в однородном электростатическом поле. Однородное поле создают, на­пример, большие металлические пластины, имеющие заряды проти­воположного знака. Это поле дей­ствует на заряд с постоянной силой F=qE.

Пусть пластины расположены вертикально левая пластина В заряжена отрицательно, а пра­вая D — положительно. Вычислим работу, совершаемую полем при пе­ремещении положительного заряда q из точки 1, находящейся на расстоя­нии d₁ от пластины В, в точку 2, расположенную на расстоянии d₂<d₁ от той же пластины.

Точки 1 и 2 лежат на одной силовой линии. На участке пути ∆d=d₁—d₂ электрическое поле совершит поло­жительную работу: A=qE(d₁—d₂). Эта работа не зависит от формы траектории.

Потенциалом электростатическо­го поля называют отношение

потен­циальной энергии заряда в поле к этому заряду.

Согласно данному определению потенциал равен:

(Разность потенциалов. Подобно потенциальной энергии, значение по­тенциала в данной точке зависит от выбора нулевого уровня для отсчета потенциала. Практическое значение

имеет не сам потенциал в точке, а изменение потенциала, которое не за­висит от выбора нулевого уровня отсчета потенциала.Так как потенциальная энергия

W_p=qφ то работа равна:

Разность потенциалов равен:

Разность потенциалов (напряжение) между двумя точками равна отношению работы поля при пе­ремещении заряда из начальной точки в конечную к этому за­ряду. Pазность потенциалов между двумя точками равна единице, если при перемещении заряда в 1 Кл из одной точки в другую электрическое поле совершает работу в 1 Дж. Эту еди­ницу называют вольтом (В).

Билет №25 (2)