Переохлажденный пар

При переходе температуры кипения пар должен конденсироваться, превращаться в жидкость. Однако,; оказывается, если пар не соприкасается с жидкостью и если пар очень чистый, то удается получить переохлажденный или "пересыщенный пар - пар, которому давно следовало бы уже стать жидкостью.

Пересыщенный пар очень неустойчив. Иногда достаточно толчка или брошенной в пространстве пара крупинки, чтобы запоздавшая конденсация началась.

Равнове́сие фаз в термодинамике — состояние, при котором фазы в термодинамической системе находятся в состоянии теплового, механическогои химического равновесия.

Типы фазовых равновесий:

Тепловое равновесие означает, что все фазы вещества в системе имеют одинаковую температуру.

Механическое равновесие означает равенство давлений по разные стороны границы раздела соприкасающихся фаз. Строго говоря, в реальных системах эти давления равны лишь приближенно, разность давлений создается поверхностным натяжением.

Химическое равновесие выражается в равенстве химических потенциалов всех фаз вещества.

Фа́зовый перехо́д (фазовое превращение) в термодинамике — переход вещества из одной термодинамической фазы в другую при изменении внешних условий. С точки зрения движения системы по фазовой диаграмме при изменении её интенсивных параметров (температуры, давления и т. п.), фазовый переход происходит, когда система пересекает линию, разделяющую две фазы. Поскольку разные термодинамические фазы описываются различными уравнениями состояния, всегда можно найти величину, которая скачкообразно меняется при фазовом переходе.

Кривая фазового равновесия – кривая, зависимости равновесного давления р от равновесной температура Т на плоскости.

Уравнение Клапейрона — Клаузиуса — термодинамическое уравнение, относящееся к квазистатическим (равновесным) процессам перехода вещества из одной фазы в другую (испарение, плавление, сублимация, полиморфное превращение и др.). Согласно уравнению, теплота фазового перехода (например, теплота испарения, теплота плавления) при квазистатическом процессе определяется выражением

где   — удельная теплота фазового перехода,   — изменение удельного объёма тела при фазовом переходе.

Кипе́ние — процесс парообразования в жидкости (переход вещества из жидкого в газообразное состояние), с возникновением границ разделения фаз. Температура кипения при атмосферном давлении приводится обычно как одна из основных физико-химических характеристик химически чистого вещества.

Температу́ра кипе́ния, точка кипения — температура, при которой происходит кипение жидкости, находящейся под постоянным давлением. Температура кипения соответствует температуре насыщенного пара над плоской поверхностью кипящей жидкости, так как сама жидкость всегда несколько перегрета относительно температуры кипения.

ТЕМПЕРАТУРА ЗАТВЕРДЕВАНИЯ (точка затвердевания) – температура, при которой жидкость превращается в твердое вещество. Для чистого вещества совпадает с его температурой плавления, т.е. температурой перехода из твердого состояния в жидкое. Строго определенную температуру затвердевания имеют лишь чистые кристаллические вещества. Аморфные же, т.е. некристаллические вещества (например, стекло, сливочное масло), затвердевают (и плавятся) в некотором интервале температур. Для таких веществ проводят различие между температурами затвердевания и плавления: под температурой затвердевания понимают температуру, при которой в системе при охлаждении появляются первые признаки твердой фазы либо при нагревании исчезают последние ее следы, а под температурой плавления – наинизшую температуру, при которой в процессе охлаждения исчезают последние следы жидкой фазы или при нагревании появляются первые ее признаки. Температура затвердевания большинства веществ немного изменяется при изменении давления: как правило, она повышается с его повышением. Смеси жидкостей, например воды и спиртов, тоже затвердевают (замерзают) в широком интервале температур, причем температура их замерзания всегда ниже, чем у чистого компонента с более высокой точкой замерзания. Поэтому в качестве одного из компонентов антифриза в системе охлаждения автомобилей широко применяются этиловый спирт (температура замерзания -130° С) и этиленгликоль (температура замерзания -25° С). Температура, при которой замерзают последние следы жидкой смеси, может быть гораздо ниже, чем у компонента с более низкой точкой замерзания. Первый закон Рауля связывает давление насыщенного пара над раствором с его составом; он формулируется следующим образом:

• Парциальное давление насыщенного пара компонента раствора прямо пропорционально его мольной доле в растворе, причём коэффициент пропорциональности равен давлению насыщенного пара над чистым компонентом.

Для бинарного раствора, состоящего из компонентов А и В (компонент А считаем растворителем) удобнее использовать другую формулировку:

• Относительное понижение парциального давления пара растворителя над раствором не зависит от природы растворённого вещества и равно его мольной доле в растворе.

На поверхности оказывается меньше способных испаряться молекул растворителя, ведь часть места занимает растворённое вещество.

Растворы, для которых выполняется закон Рауля, называются идеальными. Идеальными при любых концентрациях являются растворы, компоненты которых очень близки по физическим и химическим свойствам (оптические изомеры, гомологи и т. п.), и образование которых не сопровождается изменением объёма и выделением либо поглощением теплоты. В этом случае силы межмолекулярного взаимодействия между однородными и разнородными частицами примерно одинаковы, и образование раствора обусловлено лишь энтропийным фактором.

Тот факт, что давление паров над раствором отличается от давления паров над чистым растворителем, существенно влияет на процессы кристаллизации и кипения. Из первого закона Рауля выводятся два следствия, касающиеся понижения температуры замерзания и повышения температуры кипения растворов, которые в объединённом виде известны как второй закон Рауля.

Вопрос №19.

Сублимация (возго́нка) — переход вещества из твёрдого состояния сразу в газообразное, минуя жидкое. Поскольку при возгонке изменяется удельный объём вещества и поглощается энергия (теплота сублимации), возгонка является фазовым переходом первого рода.

Полиморфизм  – способность простых и сложных веществ иметь различную кристаллическую структуру в зависимости от внешних условий температуры и давления. Различные кристаллические формы называются полиморфными модификациями, они обозначаются буквами греческого алфавита , ,   и т.д.

Переход из одной полиморфной модификации в другую называется полиморфным превращением. 

Выпаривание, концентрирование растворов (чаще всего твёрдых веществ в воде) частичным испарением растворителя при кипении. При этом повышаются концентрация, плотность и вязкость раствора, а также температура его кипения. При пересыщении раствора растворённое вещество выпадает в осадок. Температура кипения растворов всегда выше температуры кипения растворителей; разность между ними, называется температурной депрессией, растёт с увеличением концентрации растворённого вещества и внешнего давления.   Выпаривание производится за счёт подводимого извне тепла: при температуре ниже 200°C теплоносителем является водяной пар, выше 200°С — высококипящие жидкости (дифенильная смесь, масло) и топочные газы. Обогрев производится через стенку аппарата, а при сильно агрессивных средах — барботажем пузырьков газа сквозь раствор или распылением последнего в струе газа.   Выпаривание ведут при атмосферном, пониженном или повышенном давлении. В большинстве случаев экономически выгодно работать под давлением выше 0,1 Мн/м² (1 кгс/см²), так как в этом случае можно использовать вторичный пар для обогрева других аппаратов. При работе с термически нестойкими веществами пользуются вакуум-выпаркой, что позволяет снизить температуру кипения растворов и уменьшить поверхность нагрева (вследствие увеличения разности температур между нагревающими агентами и кипящим раствором). Вакуум в аппаратах создаётся конденсацией вторичного пара и отсасыванием вакуум-насосом несконденсировавшейся паровоздушной смеси.

Выпаривание под вакуумом, или вакуумная выпарка. Для снижения температуры процесса выпаривание термически нестойких извлечений производят под вакуумом в специальных вакуум-выпарных аппаратах или установках, которые бывают различных конструкций.

Вакуумное выпаривание.

На рисунке представлена схема вакуум-выпарной установки, которая состоит из котла с паровой рубашкой 2\ в последнюю поступает пар по трубе 5, а конденсат вытекает через вентиль 6; упаренная жидкость выливается через кран 4. Для впуска пара в котел служат труба 7 и барботер 3.  Котел закрыт шлемом 1, в котором имеются два смотровых окна 10 (одно не видно — оно находится по другую сторону шлема и освещается электролампочкой). Кроме того, в шлеме имеется люк или лаз 8, через который производится очистка котла. Для определения температуры и давления на шлеме установлены вакуумметр 9 и термометр 11.

Для отвода пара в трубчатый конденсатор-холодильник 13 служит хобот (труба) 12. В конденсатор через трубу 14 поступает холодная вода, а теплая вода вытекает через трубу 15.  Сконденсировавшаяся жидкость из конденсатора-холодильника стекает в сборник 16, из которого отсасываемый воздух с некоторым количеством пара поступает в ресивер 17, имеющий мановакуумметр 9.

Для отсоса воздуха из системы использован вакуум-насос типа РМК (19), в который по трубе 20 подается холодная вода; эта вода отделяется от воздуха в отстойнике 18.  Для изготовления сухих или очень густых экстрактов применяют плоскодонные котлы, обогреваемые только снизу. Здесь высушиваемая масса расстилается тонким слоем по дну аппарата, вследствие чего сушка происходит быстро. Однако работу необходимо часто останавливать для того, чтобы вынуть относительно небольшое количество сухого материала. Кроме того, при значительном вакууме может произойти продавливание плоского днища. В силу этих причин такие котлы применяются очень редко.

Для выпаривания больших количеств извлечений и для выпаривания жидкостей, дающих большую пену, применяют большие глубокие котлы. Однако, если выпариванию подлежат извлечения, содержащие нетеплостойкие вещества, то нужно учитывать гидравлическое давление столба жидкости, находящейся в аппарате. При работе в условиях атмосферного давления это не играет особой роли, а под большим вакуумом оно становится весьма заметным.  Котлы-испарители изготовляют из меди, алюминия, нержавеющей стали, чугуна и т. п. Если металл химически нестоек, то внутреннюю часть котла покрывают полудой, эмалью или другим антикоррозийным покрытием.

Вопрос №20.

Абсолютная влажность воздуха (лат. absolutus — полный) — физическая величина, показывающая массу водяных паров, содержащихся в 1 м³ воздуха. Другими словами, это плотность водяного пара в воздухе. Обычно обозначается буквой f.

Абсолютная влажность воздуха рассчитывается по следующей формуле:

,

где V — объём влажного воздуха, а m — масса водяного пара, содержащегося в этом объёме.

Обычно используемая единица абсолютной влажности: [f] = 1 г/м³.

Относительная влажность — отношение парциального давления паров воды в газе (в первую очередь, в воздухе) к равновесному давлениюнасыщенных паров при данной температуре. Обозначается греческой буквой φ.

Эквивалентное определение — отношение массовой доли водяного пара в воздухе к максимально возможной при данной температуре. Измеряется в процентах и определяется по формуле:

где:   — относительная влажность рассматриваемой смеси (воздуха);   — парциальное давление паров воды в смеси;   — равновесное давление насыщенного пара.

Давление насыщенных паров воды сильно растёт при увеличении температуры . Поэтому при изобарическом (то есть, при постоянном давлении) охлаждении воздуха с постоянной концентрацией пара наступает момент (точка росы), когда пар насыщается. При этом «лишний» пар конденсируется в виде тумана или кристалликов льда. Процессы насыщения и конденсации водяного пара играют огромную роль в физике атмосферы: процессы образования облаков и образование атмосферных фронтов в значительной части определяются процессами насыщения и конденсации, теплота, выделяющаяся при конденсации атмосферного водяного пара обеспечивает энергетический механизм возникновения и развитиятропических циклонов (ураганов).

Точка росы  характеризует влажность воздуха. Примеры: выпадение росы под утро, запотевание холодного стекла, если на него подышать, образование капли воды на холодной водопроводной трубе, сырость в подвалах домов.

Для измерения влажности воздуха используют измерительные приборы - гигрометры. Существуют несколько видов гигрометров, но основные: волосной и психрометрический.

Так как непосредственно измерить давление водяных паров в воздухе сложно, относительную влажность воздуха измеряют косвенным путем.

Принцип действия волосного гигрометра основан на свойстве обезжиренного волоса ( человека или животного) изменять свою длину в зависимости от влажности воздуха, в котором он находится.

Волос натянут на металлическую рамку. Изменение длины волоса передаётся стрелке, перемещающейся вдоль шкалы. Волосной гигрометр в зимнее время являются основным прибором для измерения влажности воздуха вне помещения.

Более точным гигрометром является гигрометр психрометрический – психрометр ( по др. гречески "психрос" означает холодный). Известно, что от относительной влажности воздуха зависит скорость испарения.  Чем меньше влажность воздуха, тем легче влаге испаряться.

В психрометре есть два термометра. Один - обычный, его называют сухим. Он измеряет температуру окружающего воздуха. Колба другого термометра обмотана тканевым фитилем и опущена в емкость с водой. Второй термометр показывает не температуру воздуха, а температуру влажного фитиля, отсюда и название увлажненный термометр. Чем меньше влажность воздуха, тем интенсивнее испаряется влага из фитиля, тем большее количество теплоты в единицу времени отводится от увлажненного термометра, тем меньше его показания, следовательно, тем больше разность показаний сухого и увлажненного термометров.

 

Эффе́ктом Джо́уля — То́мсона называется изменение температуры газа при адиабатическом дросселировании — медленном протекании газа под действием постоянного перепада давлений сквозь дроссель (пористую перегородку). Данный эффект является одним из методов получения низких температур.

Вопрос №21.

Столкновения молекул играют решающую роль в установлении равновесия и при распространении возмущений в газах. Согласно молекулярно-кинетической теории средняя кинетическая энергия молекулы равна

Длина свободного пробега

Длина свободного пробега молекулы — это среднее расстояние (обозначаемое  ), которое частица пролетает за время свободного пробега от одного столкновения до следующего.

Длина свободного пробега каждой молекулы различна, поэтому в кинетической теории вводится понятие средней длины свободного пробега (<λ>). Величина <λ> является характеристикой всей совокупности молекул газа при заданных значениях давления и температуры.

Формула

, где   — эффективное сечение молекулы,   — концентрация молекул.

Под средней длиной свободного пробега понимают среднее расстояние, которое проходит молекула между двумя последовательными соударениями.

За секунду молекула в среднем проходит расстояние, численно равное ее средней скорости  . Если за это же время она испытает в среднем   столкновений с другими молекулами, то ее средняя длина свободного пробега   , очевидно, будет равна

вычислим среднее число соударений   выбранной молекулы с другими молекулами за единицу времени. Будем считать, что молекула после соударения продолжает двигаться по прямой со средней скоростью движения   .

Молекулы, с которыми соударяется выбранная молекула, в первом приближении считаем неподвижными и принимаем их за сферические тела радиуса r. Пусть выбранная молекула движется вправо из положения   в положение   по прямой   (рис.11.3). При своем движении она испытывает соударения с теми неподвижными молекулами, центры которых лежат не дальше чем 2r от траектории   . Иными словами, движущаяся со средней скоростью молекула в течении одной секунды столкнется со всеми молекулами, центры которых находятся в объеме ограниченном цилиндром с радиусом 2r и длиной   , т.е.

.

Если концентрация молекул n , то внутри рассмотренного цилиндра находится число молекул, равное

Это число   и определяет среднее число соударений за единицу времени.

Предположение о том, что все молекулы, кроме одной, неподвижны, является, конечно не верным. В действительности все молекулы движутся, и возможность соударения двух частиц зависит от их относительной скорости. Поэтому вместо среднеарифметической скорости   должны входить средняя относительная скорость молекул   . Если скорости молекул распределены по закону Максвелла, то, как можно показать, средняя относительная скорость двух молекул однородного газа в   раз превышает   . Таким образом, среднее число соударений должно быть увеличено в   раз

(11.7)

Эффективный диаметр молекулы — минимальное расстояние, на которое сближаются центры двух молекул при столкновении.

При столкновении молекулы сближаются до некоторого наименьшего расстояния, которое условно считается суммой радиусов взаимодействующих молекул. Столкновение между одинаковыми молекулами может произойти только в том случае, если их центры сблизятся на расстояние, меньшее или равное диаметру d — эффективному диаметру молекулы.

Площадь сечения сферы ограждения молекулы по большому кругу. Обозначается буквой σ(сигма).

В термодинамике часто рассматривается модель, где двигается одна молекула (пробная молекула), а остальные (полевые молекулы) — неподвижны. Если пользоваться такой моделью, то можно сказать, что эффективное сечение — площадь поперечного сечения цилиндра, покрываемого молекулой, такого, что молекулы, через которые он проходит, провзаимодействуют с пробной молекулой. То есть  , где r₁ и r₂ — радиус пробной молекулы и полевых молекул. Но имеются отклонения от этого простого соотношения.

Вопрос № 22.

Стационарный случайный процесс, важный специальный класс случайных процессов, часто встречающийся в приложениях теории вероятностей к различным разделам естествознания и техники. Случайный процесс X (t) называется стационарным, если все его вероятностные характеристики не меняются с течением времени t (так что, например, распределение вероятностей величины X (t) при всех t является одним и тем же, а совместное распределение вероятностей величин X (t₁) и X (t₂) зависит только от продолжительности промежутка времени t₂—t₁, т. е. распределения пар величин {X (t₁), X (t₂)} и {X (t₁ + s), X (t₂ + s)} одинаковы при любых t₁, t₂ и s и т.д.).

Физи́ческая кине́тика (др.-греч. κίνησις — движение) — микроскопическая теория процессов в неравновесных средах. В кинетике методами квантовой или классическойстатистической физики изучают процессы переноса энергии, импульса, заряда и вещества в различных физических системах (газах, плазме, жидкостях, твёрдых телах) и влияние на них внешних полей. В отличие от термодинамики неравновесных процессов и электродинамики сплошных сред, кинетика исходит из представления о молекулярном строении рассматриваемых сред, что позволяет вычислить из первых принципов кинетические коэффициенты, диэлектрические и магнитные проницаемости и другие характеристики сплошных сред. Физическая кинетика включает в себя кинетическую теорию газов из нейтральных атомов или молекул, статистическую теорию неравновесных процессов в плазме, теорию явлений переноса в твёрдых телах (диэлектриках, металлах и полупроводниках) и жидкостях, кинетику магнитных процессов и теорию кинетических явлений, связанных с прохождением быстрых частиц через вещество. К ней же относятся теория процессов переноса в квантовых жидкостях и сверхпроводниках и кинетика фазовых переходов.

Диффузия (лат. diffusio — распространение, растекание, рассеивание, взаимодействие) — процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму^[1]. В некоторых ситуациях одно из веществ уже имеет выравненную концентрацию и говорят о диффузии одного вещества в другом. При этом перенос вещества происходит из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией (против градиента концентрации)

Примером диффузии может служить перемешивание газов (например, распространение запахов) или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной). Другой пример связан с твёрдым телом: атомы соприкасающихся металлов перемешиваются на границе соприкосновения. Важную роль диффузия частиц играет в физике плазмы.

Коэффицие́нт диффу́зии — количественная характеристика скорости диффузии, равная количеству вещества (в массовых единицах), проходящего в единицу времени через участок единичной площади (например, 1 м²) при градиенте концентрации, равном единице (соответствующем изменению 1 моль/л → 0 моль/л на единицу длины). Коэффициент диффузии определяется свойствами среды и типом диффундирующих частиц.

Зависимость коэффициента диффузии от температуры в простейшем случае выражается законом Аррениуса:

,

где D — коэффициент диффузии [ {м²}/{сек} ];   — энергия активации [Дж]; k — постоянная Больцмана; T — температура [ ].

Вопрос №23.

В кинетической теории газов коэффициент внутреннего трения вычисляется по формуле

,

где   — средняя скорость теплового движения молекул,   − средняя длина свободного пробега. Из этого выражения в частности следует, что вязкость не очень разреженных газов практически не зависит от давления, поскольку плотность   прямо пропорциональна давлению, а   - обратно пропорциональна. Такой же вывод следует и для других кинетических коэффициентов для газов,например, для коэффициента теплопроводности. Однако этот вывод справедлив только до тех пор, пока разрежение газа не становится столь малым, что отношение длины свободного пробега к линейным размерам сосуда (число Кнудсена) не становится по порядку величины равным единице; в частности, это имеет место в сосудах Дьюара (термосах).

С повышением температуры вязкость большинства газов увеличивается, это объясняется увеличением средней скорости молекул газа  , растущей с температурой как 

Динамический коэффициент вязкости

Внутреннее трение жидкостей, как и газов, возникает при движении жидкости вследствие переноса импульса в направлении, перпендикулярном к направлению движения. Справедлив общий закон внутреннего трения — закон Ньютона:

Коэффициент вязкости   (динамическая вязкость) может быть получен на основе соображений о движениях молекул. Очевидно, что   будет тем меньше, чем меньше время t «оседлости» молекул. Эти соображения приводят к выражению для коэффициента вязкости, называемому уравнением Френкеля-Андраде:

Иная формула, представляющая коэффициент вязкости, была предложена Бачинским. Как показано, коэффициент вязкости определяется межмолекулярными силами, зависящими от среднего расстояния между молекулами; последнее определяется молярным объёмом вещества  . Многочисленные эксперименты показали, что между молярным объёмом и коэффициентом вязкости существует соотношение

где с и b — константы. Это эмпирическое соотношение называется формулой Бачинского.

Динамическая вязкость жидкостей уменьшается с увеличением температуры, и растёт с увеличением давления.

Первый закон Ньютона

Существуют такие системы отсчёта, называемые инерциальными, относительно которых материальная точка при отсутствии внешних воздействий сохраняет величину и направление своей скорости неограниченно долго.

Второй закон Ньютона

В инерциальной системе отсчёта ускорение, которое получает материальная точка, прямо пропорционально равнодействующей всех приложенных к ней сил и обратно пропорционально её массе.

При подходящем выборе единиц измерения, этот закон можно записать в виде формулы:

где   — ускорение материальной точки;  — сила, приложенная к материальной точке;  — масса материальной точки.

Или в более известном виде:

В случае, когда масса материальной точки меняется со временем, второй закон Ньютона формулируется с использованием понятия импульс:

В инерциальной системе отсчета скорость изменения импульса материальной точки равна равнодействующей всех приложенных к ней сил.

где   — импульс точки,

где   — скорость точки;

 — время;  — производная импульса по времени.

Когда на тело действуют несколько сил, с учётом принципа суперпозиции второй закон Ньютона записывается:

или

Третий закон Ньютона

Материальные точки попарно действуют друг на друга с силами, имеющими одинаковую природу, направленными вдоль прямой, соединяющей эти точки, равными по модулю и противоположными по направлению:

Основной закон теплопроводности (закон Фурье) гласит, что количествотеплоты, проходящее через элемент изотермической поверхности, пропорционально градиенту температуры и продолжительности промежутка времени.

Коэффициент теплопроводности.

Является теплофизической характеристикой материала. [ O ] = [q]/[gad t] = Вт/м2- к/м = Вт/м-К

Коэффициент теплопроводности численно равен количеству теплоты, проходящей через единицу изотермической поверхности в единицу времени при единичном градиенте температуры. В общем случае O = O(t).

Для многих материалов его зависимость от температуры определяется по формуле

О = Oo[ 1+b(t-to) ]

Металлы. O= 3 - 458 Вт/м  К

С увеличением температуры О убывает. Коэффициент тепло- и электропроводности у металлов пропорциональны, т.к. носители тепловой энергии и заряда одни итеже - электроны.

Для сплавов коэффициент теплопроводности ниже, чем для чистых металлов. С увеличением температуры О растет.

Неметаллы. О = 0,02 у 3 Вт/м-К

О бычно с увеличением температуры О растет.

Многие строительные и теплоизоляционные материалы имеют пористую структуру. Для них О - условная величина, которая имеет смысл коэффициента теплопроводности "эквивалентного сплошного материала".

Материалы с О  0,25 Вт/м-К называются теплоизоляционными.

Жидкости. О = 0,08 у 0,65 Вт/м-К

С увеличением температуры О убывает (за исключением воды).

Вопрос №24.

Зависимость коэффициентов переноса от давления Р

       Так как скорость теплового движения молекул   и не зависит от давления Р, а коэффициент диффузии D ~ λ, то и зависимость D от Р должна быть подобна зависимости λ(Р). При обычных давлениях и в разряженных газах  ; в высоком вакууме D = const.

       С ростом давления λ уменьшается и затрудняется диффузия ( ).

       В вакууме и при обычных давлениях  , отсюда   и  .

       С увеличением Р и ρ, повышается число молекул, переносящих импульс из слоя в слой, но зато уменьшается расстояние свободного пробега λ. Поэтому вязкость η и теплопроводность χ, при высоких давлениях, не зависят от Р (η и χ – const). Все эти результаты подтверждены экспериментально.

  Рис. 3.7

На рисунке 3.7 показаны зависимости коэффициентов переноса и длины свободного пробега λ от давления Р. Эти зависимости широко используют в технике (например, при измерении вакуума).

Ва́куум (от лат. vacuum — пустота) — пространство, свободное от вещества. В технике и прикладной физике под вакуумом понимают среду, содержащую газ придавлениях значительно ниже атмосферного. Вакуум характеризуется соотношением между длиной свободного пробега молекул газа λ и характерным размером среды d. Под d может приниматься расстояние между стенками вакуумной камеры, диаметр вакуумного трубопровода и т. д. В зависимости от величины соотношения λ/d различают низкий ( ), средний ( ) и высокий ( ) вакуум.

Следует различать понятия физического вакуума и технического вакуума.

В химии и физике, эффузия — процесс, при котором отдельные молекулы проникают через отверстие без столкновений между собой. Это происходит, если диаметр отверстия значительно меньше, чем длина свободного пробега молекул ^[1]. Согласно закону Грэхема, скорость истечения газа (то есть, количество молекул, проходящих через отверстие в секунду) зависит от его молекулярной массы; газы с более низкой молекулярной массой истекают быстрее, чем газы с более высокой молекулярной массой. Для двух газов при одинаковой температуре (и, таким образом, с одинаковой средней кинетической энергией поступательного движения молекулы), средняя молекулярная скорость каждого газа может быть приблизительно найдена из соотношения  . (Чтобы быть более точным, следует использовать соотношение (3/2)k_BT = (1/2)mv_rms², где k_B — постоянная Больцмана и v_rms — среднеквадратичное значение скорости газовых молекул. Как следует из распределения Максвелла, средняя молекулярная скорость равна приблизительно 0.921v_rms. Точно   ^0,5 v_rms. ) Таким образом, более лёгкие молекулы обладают более высокой скоростью. Это приводит к тому, что большее количество молекул проходит через отверстие в единицу времени. Вот почему воздушный шар, заполненный газом с низкой молекулярной массой (например, водородом), оставленный в покое на некоторое время, сдувается быстрее, чем воздушный шар, заполненный газом с более высокой молекулярной массой (азотом).

25 - Жидкость характеризуется тем, что в ней соблюдается некоторый порядок в расположении молекул. Она по структуре представляет собой нечто среднее между газом и твёрдым телом. В жидкостях существует ближний порядок в расположении молекул. В некоторой небольшой области порядок может существовать в течение некоторого времени, а затем со временем и расстоянием он изменяется. Характерными свойствами жидкостей являются: несжижаемость, вязкость, диффузия, поверхностное натяжение, смачивание поверхностей, осмос и др.

Согласно теории Френеля, молекулы жидкости колеблются около положения равновесия, но через некоторе время, называемое временем “оседлой жизни”, молекулы переходят в новое положение, разрывая связи с соседями.

Среднее время “оседлой жизни” называется “временем релаксации”: τ=τ0*e^(Ea/kT), где τ0 - средний период колебаний молекулы около положения равновесия, Ea - энергия активации.

Среднее перемещение δ при перескоке молекулы с одного места на другое - это фактически средняя длина свободного пробега молекулы. Средняя длина свободного пробега молекулы является величиной порядка эффективного диаметра молекулы δ ≈d. δ=τ*ʋср, где ʋср - средняя скорость движения молекул.

Диффузия - это процесс проникновения молекул одного вещества между молекулами др. вещества в результате теплового движения. Закон диффузии Фика: dm/dt=-DS*dC/dx (для растворов, не разделённых мембраной), где dm/dt - скорость диффузии, D - коэффициент диффузии (характеристическая величина процесса диффузии) в м^2/с (D=1/3*δ^2/τ0*e^(-Ea/kT)), S - площадь диф-и, dC/dx -градиент концентрации.

Плотность потока частиц(Ф) - это количество частиц, пересекающих единичную площадку. перпендикулярную направлению переноса, в единицу времени: Ф=-D` *gradC или Ф=N/St, где N - количество диффундирующих частиц, D`=D*Na(число Авогадро) - молярный коэффициент диффузии (в m^2/моль*с).

26 - Вязкость жидкости - одно из явлений переноса, свойство оказывать сопротивление перемещению одной части жидкостей относительно другой. Вязкость жидкостей с ростом температуры убывает. Закон вязкости (внутреннего трения) Ньютона — математическое выражение, связывающее касательное напряжение внутреннего трения (вязкость) и изменение скорости среды в пространстве (скорость деформации) для текучих тел (жидкостей и газов):

, где величина называется коэффициентом внутреннего трения или динамическим коэффициентом вязкости (η=ατ=α*τ0*e^(Ea/kT), где α - коэффициент пропорциональности).

Теплопроводность в жидкости подчиняется закону Фурье: Q=-kT*dT/dX*S∆t, где Q - количество тепла, переносимое через площадку S за время ∆t, kT - коэффициент теплопроводности жидкости (в неметаллической ж-ти: kT =ρ*Сv*с*δ, где ρ - плотность жидкости, Сv - теплоёмкость жидкости, с - скорость звука в жидкости), dT/dX - градиент температуры в жидкости. Коэффициент теплопроводности жидкости убывает с ростом температуры и слабо возрастает с ростом давления.

27 - Гидродинамика - это раздел механики, изучающий движение жидкости как сплошной среды. Закон сохранения массы и объёма при течении жидкости: объём и масса жидкости, протекающей через любое поперечное сечение трубки тока в единицу времени, остаются постоянными. Жидкость в трубке тока нигде не накапливается. Объёмный расход - это объём жидкости, протекающей через сечение трубки тока в единицу времени: Q=∆V/∆t=∆l*S/∆t=VS=const. Массовый расход - это масса жидкости, протекающей через сечение трубки тока в единицу времени: G=∆m/∆t=ρ∆V/∆t=ρQ=ρVS=const.

Уравнение Бернулли для идеальной жидкости: P+ρgh+(ρ*V^2)/2=const, где P - статическое давление(характеризует всестороннее сжатие жидкости), ρgh - гидростатическое давление(определяется весом жид-ти), (ρ*V^2)/2 - динамическое давление(определяется скоростью движения жидкости).

Закон Бернулли: полное давление в установившемся потоке жидкости остается постоянным вдоль этого потока. Полное давление состоит из весового ,статического и динамического давлений. Из закона Бернулли следует, что при уменьшении сечения потока, из-за возрастания скорости, то есть динамического давления, статическое давление падает.

Для измерения скорости жидкости в эксперименте часто используют трубку Прандтля (совместно с трубкой Пито) (схема - с.91 в молекулярке).

Течение называется ламинарным (слоистым), если в процессе движения жидкость разделяется на молекулярные слои, текущие параллельно друг другу не перемешиваясь. При течении по трубе неизменного диаметра потенциальная энергия жид-ти, определяемая статическим давлением расходуется на преодоление сил трения (поддержание постоянного динамического давления). Статическое давление линейно падает от значения в начале трубы Pст=ρgh до нуля на выходе из трубы. Скорость жид-ти и динамическое давление остаются неизменными по всей длине трубы. Но за счёт трения динамическое давление должно уменьшаться, но этого не происходит, т.к. начальная энергия, определяемая статич. давлением, идёт на поддержание постоянства динамич. давления.

Закон Ньютона см. 26 ; Ньютоновские жид-ти - коэффициент вязкости которых зависит от природы жид-ти и температуры (вода), а неньютоновские - коэффициент вязкости которых зависит от режима течения, величины и градиента скорости, давления и т.д.(кровь, нефть).

Закон Пуазейля устанавливает связь между расходом жидкости через гладкую трубу и градиентом давления или перепадом давления на концах трубы. Общ. расход жид-ти через трубу радиуса r равен: Q=∆P/W, где W=8η∆l/π*r^4 - гидравлическое сопротивление гладкой трубы).

Турбулентное течение - менее упорядоченное течение при увеличении скорости потока жидкости (устойчивость потока нарушается, в жид-ти появляются завихрения). Re=ρVd/η - число Рейнольдса(при Re>2300 течение турбулентное, а при <2300 - ламинарное).

28 - Реология— раздел физики, изучающий деформации и текучесть вещества. Реология рассматривает действующие на тело механическое напряжения и вызываемые ими деформации, как обратимые, так и необратимые (остаточные). В узком смысле - термин "реология" иногда относят только к изучению течения вязких и пластичных тел. Осн. задача реологии-установление зависимости между мех. напряжениями σ и деформациями ε, а также их изменениями во времени t; ур-ние f(σ, ε, t) = 0 наз. реологич. ур-нием состояния (РУС). Простейшие (предельные) РУС-линейные соотношения между деформацией (или скоростью деформации) и напряжением: для твердых тел это-закон Гука σ = Eε, где σ - нормальное напряжение, ε-относит. деформация растяжения, Е- модуль упругости; для жидкостей-закон Ньютона-Стокса , где τ-касательное напряжение, -скорость деформации сдвига, η-сдвиговая вязкость. Существуют три осн. реологич. модели для тел, не подчиняющихся этим соотношениям: вязкоупругие (и упруговязкие) среды, пластичные тела и неньютоновские жидкости

Методы определения вязкости

1. Метод Стокса - основан на измерении скорости медленно движущихся в жидкости небольших тел сферической формы.

2. Метод Пуазейля - основан на ламинарном течении жидкости в тонком капилляре.

Определение вязкости крови. Определение вязкости крови основано на сравнении скорости продвижения крови и дистиллированной воды в одинаковых капиллярах в вакууме при комнатной температуре. Определение проводится в приборе вискозиметре. Наблюдается зависимость вязкости крови от количества и объема эритроцитов, общего содержания белка и соотношения его фракций в плазме, а также от содержания в крови углекислоты. Повышение вязкости отмечается при сгущении крови и некоторых видах лейкозов, понижение — при анемиях.

Гемореология изучает физико-химические свойства крови, которые определяют ее текучесть, т.е. способность к обратимой деформации под действием внешних сил. Общепринятой количественной мерой текучести крови является ее вязкость. При патологии повышенная вязкость крови создает дополнительное сопротивление кровотоку и поэтому сопряжена с избыточной постнагрузкой сердца, микроциркуляторными расстройствами, тканевой гипоксией. На фоне низкой или очень низкой вязкости крови может развиться массивная агрегация эритроцитов, которая полностью блокирует микроциркуляторное русло. Вязкость крови человека в норме 0,4-0,5 , при патологии колеблется от 0,17 до 2,29.

29 - Жидкость в поверхностном слое находится как бы в растянутом - напряжённом состоянии. В поверхностном слое жидкости возникают силы поверхностного натяжения, величина которых характеризуется коэффициентом поверхностного натяжения α - величиной, численно равной силе поверхностного натяжения, приходящейся на единицу длины контура l, ограничивающего данную поверхность жидкости: α=F/l (H/м). По энергетическому определению: α=∆Wп/∆S, где ∆Wп - поверхностная энергия (она представляет собой свободную энергию Гиббса Wп=G).

Смачиваемость - способность смачиваться, впитывать влагу. Смачивание - явление приставания (прилипания) частиц жидкости к твёрдому телу за счёт сил межмолекулярного взаимодействия.

Формула Лапласа: ∆pм=2α/rm, где ∆pм - дополнительное давление под мениском, rm - радиус трубки.

Явление поднятия или опускания уровня жидкости в узких трубках в связи с действием дополнительного давления называется капиллярностью, а трубки капиллярами. Дополнительное давление ∆p=±ρgh=2α*cosθ/rm, а значит h=±2α*cosθ/ρgrm - формула Жюрена, где θ - угол смачивания. Капиллярностью объясняется явление гигроскопичности - свойства веществ поглощать влагу из воздуха (биодизель, мёд, этанол, метанол, глицерин, концентрированная серная кислота, концентрированный раствор гидроксида натрия, безводный хлорид кальция).

У выпуклой поверхности давление насыщенного пара больше, чем у плоской поверхности, т.к. молекуле жидкости легче выйти в пар. С ростом радиуса кривизны давление над вогнутой поверхностью растёт, а над выпуклой падает, приближаясь к давлению насыщенного пара над плоской поверхностью.

Рауль установил, что давление насыщенного пара PHP над раствором нелетучего вещества ниже, чем давление насыщ. пара над чистым растворителем PH. Закон Рауля: (PH-PHP)/PH=νp/(ν+νp), где ν - количество молей растворителя, в которых растворено νp молей вещества. Т.е. относительное понижение давления насыщенного пара над раствором равно молярной доле растворённого вещества.

Вещества, понижающие поверхностное натяжение в жидкости, называются поверхностно-активными (ПАВ)(высокомолекулярные жирные кислоты, их соединения, мыла, белки и т.д.)

Вещества, не изменяющие или даже повышающие коэффициент поверхностного натяжения, называются поверхностно-инактивными (неорганические кислоты, щелочи, соли и т.д.) ПАВ широко используются в фармации. Лекарственные формы представляют собой системы системы из лекарственных и вспомогательных веществ. Часто вспомогательные вещества - ПАВ, под действием которых изменяется проницаемость мембран клеток, повышается растворимость лек. веществ в вспомогательном веществе.

Адсорбция - это накопление молекул некоторого вещества на поверхности твёрдой или жидкой фазы.

Формула Гиббса для адсорбции: Г=-C/RT*dα/dC, где Г - значение адсорбции(моль/м^2), dα/dC - поверхностная активность вещества.

30 - Характерная черта кристаллического состояния, отличающая его от жидкого и газообразного состояний, заключается в наличии анизотропии, т.е. зависимости ряда физических свойств от направления.

По форме элементарной кристаллической ячейки все кристаллы делятся на 7 кристаллографических систем (a, b, c -рёбра элементарной ячейки; α,β,γ - углы между рёбрами, э.я. - элементарная ячейка): 1. Триклинная система (a≠b≠c, α≠β≠γ, э.я. - косоугольный параллелепипед); 2. Моноклинная система (a≠b≠c, α=γ=90˚,β≠90˚, э.я. - параллелограмм); 3. Ромбическая система (a≠b≠c, α=β=γ=90˚, э.я. - прямоугольный параллелепипед); 4.Тетрагональная система (a=b≠c, α=β=γ=90˚, э.я. - прямая призма с квадратным основанием); 5.Ромбоэдрическая (a=b=c, α=β=γ≠90˚, э.я. - деформированный куб); 6. Гексагональная система (a=b≠c, α=β=90˚, γ=120˚, три э.я. дают шестигранную призму); 7. Кубическая система (a=b=c, α=β=γ=90˚, э.я. - куб).

Упорядоченность расположения атомов кристалла заключается в том, что атомы(или молекулы) размещаются в узлах геометрически правильной кристаллической решётки. В зависимости от природы частиц в узлах кристаллической решётки и от характера сил взаимодействия между ними различают 4 типа кристаллических решёток: ионные, атомные, молекулярные, металлические.

Дефектами кристаллов называют нарушения идеальной кристаллической структуры. Такое нарушение может заключаться в отсутствии атома в узле решётки (вакансия), в замене атома данного вещества(своего атома) чужим атомом(атомом примеси), во внедрении лишнего атома в межузельное пространство. Такие дефекты - точечные. Есть также линейные дефекты или дислокации, которые нарушают чередование кристаллических плоскостей (краевая и винтовая дислокации).

Жидкие кристаллы - вещества, обладающие одновременно свойствами жидкостей (текут, обладают вязкостью) и кристаллов (анизотропия, резкие фазовые переходы). Жидкие кристаллы бывают нематические (молекулы параллельны, но их центры расположены беспорядочно), смектические (молекулы параллельны, центры расположены послойно) и холестерические (молекулы расположены по слоям, но слои, как у нематических кристаллов, между слоями есть поворот угла молекул).

Аморфные тела - это тела, похожие на твёрдые тела, но у них отсутствует характерная для кристаллов строгая упорядоченность в расположении частиц, периодически повторяющаяся во всех направлениях, т.е. отсутствует дальний порядок. У них ближний порядок, как у жидкостей. Не имеют определённой температуры плавления, при нагревании размягчаются. Пример - стекло.

В результате полиморфного превращения атомы кристаллического тела, имеющего решётку одного типа, перестраиваются, образуя решётку другого типа. В результате полиморфного превращения скачкообразно изменяются свойства тел (в т. ч. лек пр-тов): удельный объём, теплоёмкость, теплопроводность, магнитные, механические и химические свойства и т.д.

31 - Тепловое движение в кристаллах, главным образом, выражается в колебаниях частиц около своих положений равновесия. Эти колебания не гармонические, т.к. зависимость сил притяжения и отталкивания от расстояния между частицами различна: первые проявляются на больших расстояниях, а вторые заметны лишь на малых. Этим объясняется характер потенциальной кривой (график - с.103 в молекулярке).

(Из второго рисунка на с.103)видно, что при повышении температуры твёрдого тела увеличивается полная энергия, возрастает амплитуда колебаний и расстояния между крайними положениями колеблющейся частицы. Всё сильнее проявляется ангармоничность, растёт среднее расстояние между частицами и увеличивается объём кристалла (причина теплового расширения тв. тел).

Энергию моля вещества в кристаллическом состоянии можно найти, умножив среднюю энергию одной частицы на число частиц, помещающихся в узлах кристаллической решётки. Последнее число совпадает с постоянной Авогадро только в случае простых веществ, а, например, у NaCl число частиц будет равно 2NА. Внутренняя энергия моля вещ-ва: UМ=NA3kT=3RT.

Теплоёмкость при постоянном объёме Cv=3R. Закон Дюлонга и Пти: теплоёмкость моля химически простых тел в кристаллическом состоянии одинакова и равна 3R(выполняется с хорошим приближением для многих веществ при комнатной температуре)(рис. на с.105 в молекулярке).

Строгая теория теплоёмкости твёрдых тел, созданная Эйнштейном и Дебаем, учитывает, во-первых, квантование энергии колебательного движения. Во-вторых, теория учитывает, что колебания частиц в кристалл. решётке не являются независимыми.

Классическая теория теплоёмкости тв. тел расходится с опытом. Зависимость теплоёмкости от температуры может быть объяснена на основе квантовых представлений. Эйнштейн предположил, что каждый атом - осциллятор, колеблющийся с некоторой частотой, одинаковой для всех атомов кристалла. В отличие от классической модели энергия осциллятора может принимать только дискретные значения, кратные hν0, где h - постоянная Планка, ν0 - частота осциллятора. Теория Эйнштейна даёт лишь верную температурную зависимость теплоёмкости тв. тел, не давая хорошего количественного совпадения с экспериментом, т.к. Эйнштейн говорил о равенстве собственных частот осцилляторов тв. тела.

32 - Механическими характеристиками тв. тел являются деформационные и прочностные характеристики этих тел. Деформация тела - это изменение формы тела под действием внешних сил. Деформации бывают упругими и пластическими. Упругие деформации - это такие деформации, которые после прекращения действия внешних сил полностью исчезают. Пластические деформации сохраняются после прекращения действия внешних сил. Различают 5 видов деформации: растяжение, сжатие, сдвиг, изгиб, кручение. Первые 4 вида возникают под действием силы F, 5-ый - кручение - под действием момента силы М.

Для нормального механического напряжения закон Гука имеет вид: σ=Еε, где Е - модуль упругости вещества или модуль Юнга (Н/м^2), который зависит от природы вещ-ва, ε - относительная деформация (удлинение)(безразмерна,( ∆l/l)*100%). ∆l - это абсолютное удлинение. Закон Гука для сдвига: τ=Gγ, где γ-угол сдвига в радианах, G-модуль сдвига (Н/м^2).

Зависимость механического напряжения и относительной деформации при растяжении σ=f(ε) на втором рис. на с. 110 в молекулярке.

Пластичность - свойство пластичных тел, у которых наблюдаются пластические деформации(сталь, свинец, медь).

Эластомеры - класс веществ, зависимость деформации от напряжения у которых не подчиняется закону Гука. В этой зависимости у них практически отсутствует линейный участок, это значит, что модуль упругости эластомеров зависит от величины нагрузки (1-ый рис. - с. 111).Типичный эластомер - резина, белковые молекулы организма - эластомеры.

33 - Гармонические колебания - периодический процесс, в котором рассматриваемый параметр изменяется по гармоническому закону (синуса или косинуса). Если на колебательную систему не действуют внешние переменные силы, то такие колебания называются свободными.

Например, гармонически колеблется величина, изменяющаяся во времени следующим образом:

или , где х — значение изменяющейся величины, t — время, остальные параметры — постоянные: А — амплитуда колебаний (максимальное значение колеблющейся величины), ω — циклическая (круговая) частота колебаний (ω=2π/Т=2πν - число колебаний за 2π единиц времени; рад/с), — полная фаза колебаний (определяет состояние колебательной системы в момент времени t; в рад или в град), — начальная фаза колебаний в мо­мент времени t=0. Т - период колебаний - время 1 полного колебания; ν=1/Т - линейная частота колебаний - число колебаний в единицу времени (Гц).

Сложение гармонических колебаний: Если колебательная система одновременно участвует в двух (или более) независимых колебательных движениях, возникает задача - найти результирующее колебание. В случае однонаправленных колебаний под этим понимается нахождение уравнения результирующего колебания; в случае взаимно перпендикулярных колебаний - нахождение траектории результирующего колебания. Метод векторных диаграмм:

результат сложения двух однонаправленных колебаний можно получить следующим путем: необходимо сложить два вектора, а проекции суммарного вектора на оси координат будут являться уравнениями результирующего колебания. Пусть наше тело участвует в двух совпадающих по направлению колебаниях:

Сопоставим этим колебаниям два вектора А₁ и А₂, вращающихся с соответствующими угловыми скоростями.

Сопоставляем колебаниям проекции векторов на ось y. Задача сложения колебаний сводится к нахождению проекции вектора А на ось y (амплитуда результирующего колебания) и угла φ(фаза результирующего колебания).

Из очевидных геометрических соображений находим:

Отметим, что в общем случае сложения колебаний с разными частотами амплитуда результирующего колебания будет зависеть от времени. Если же частоты одинаковы, то , то есть зависимость от времени исчезает. В этом случае формулы для амплитуды и фазы результирующего колебания запишутся так:

При сложении взаимно перпендикулярных колебаний необходимо найти уравнение траектории тела, то есть из уравнений колебаний типа x = x(t), y = y(t) исключить t и получить зависимость типа y(x). Например, сложим два колебания с одинаковыми частотами:

исключив время, получим:

Дифференциальное уравнение гармонических колебаний (где s = A cos (ω₀t+φ)). Решением этого уравнения является выражение

Для гармонических колебаний смещение x = Acos(ωt+φ) скорость ʋ = dx/dt = -Aωsin(ωt+φ) ускорение a = dʋ/dt = -Aω^2cos(ωt+φ) = -x*w^2

Полная механическая энергия Еполн=Ек+Еп=(m*ʋ^2)/2+(kX^2)/2=(m*A^2*ω^2)/2

34 - Затухающие колебания — колебания, энергия которых уменьшается с течением времени. Дифференциальное уравнение затухающих колебаний имеет вид: где β – коэффициент затухания, ω₀ – частота незатухающих свободных колебаний. Есть решение такого дифференциального уравнения:

Амплитуда Азат=А*е^-βt; смещение x см. выше

Логарифмический декремент затухания λ - физическая величина, численно равная натуральному логарифму отношения двух последующих амплитуд, отстоящих по времени на период λ=ln(Aзат*e^-βt)/(Aзат*e^-β(t+T))=βTзат

Колебания, совершающиеся под воздействием внешней периодической силы, называются вынужденными. Если свободные колебания происходят на частоте ω₀, которая определяется параметрами системы, то установившиеся вынужденные колебания всегда происходят на частоте ω внешней силы.

Пусть (писать здесь начальную фазу смысла нет, поскольку нас будут интересовать только установившиеся вынужденные колебания), Ω - частота вынуждающей силы. Для нахождения уравнения установившихся колебаний необходимо найти решение дифференциального уравнения: Нашим искомым решением будет являться:

, где А - амплитуда вынужденных колебаний, φ0 - сдвиг фаз между смещением и приложенной силой.

Если частота ω внешней силы приближается к собственной частоте ω₀, возникает резкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний. Это явление называется резонансом.

Существуют системы, в которых незатухающие колебания возникают не за счет периодического внешнего воздействия, а в результате имеющейся у таких систем способности самой регулировать поступление энергии от постоянного источника. Такие системы называются автоколебательными, а процесс незатухающих колебаний в таких системах – автоколебаниями.

Математическим маятником называется материальная точка, подвешенная на нерастяжимой невесомой нити, совершающая колебательное движение в одной вертикальной плоскости под действием силы тяжести.

Таким маятником можно считать тяжелый шар массой m, подвешенный на тонкой нити, длина l которой намного больше размеров шара. Уравнение:

Его решение ,

где и

Физическим маятником называется твердое тело, закрепленное на неподвижной горизонтальной оси (оси подвеса), не проходящей через центр тяжести, и совершающее колебания относительно этой оси под действием силы тяжести. В отличие от математического маятника массу такого тела нельзя считать точечной.

Дифференциальное уравнение колебаний физического маятника имеет вид:

, где J - момент инерции маятника, L - расстояние от оси вращения до центра маятника.

Решение этого уравнения

35 - Распространение волн в упругой среде: при изучении распространения колебаний не учитывают дискретность (молекулярное строение среды). Она рассматривается как сплошная, т.е. непрерывно распределённая в пространстве и обладающая упругими свойствами. Колеблющееся тело в упругой среде является источником колебаний, распространяющихся от него во все стороны. Процесс распространения колебаний в среде называется волной. При распространении волны частицы среды не движутся вместе с волной, а колеблются около своих положений равновесия. Вместе с волной от частицы к частице передаётся лишь состояние колебательного движения и энергия. Поэтому основным свойством всех волн, независимо от их природы, является перенос энергии без переноса вещества.

Длина волны - это расстояние между ближайшими частицами, колеблющимися в одинаковой фазе λ=ʋТ=ʋ/ν; частота (ν) — число полных колебаний, совершаемых в данной точке в единицу времени Период (T) — время полного колебания (период колебаний точек среды равен периоду колебаний источника волны) амплитуда (A) — модуль максимального смещения точек среды из положений равновесия при колебаниях. Волновой фронт — это воображаемая поверхность, до которой дошло волновое возмущение в данный момент времени.

Линия, проведенная перпендикулярно волновому фронту в направлении распространения волны, называется лучом. Луч указывает направление распространения волны. В зависимости от формы фронта волны различают волны плоские, сферические и др. Различают продольные и поперечные волны. Волна, распространяющаяся в том же направлении, в котором происходят колебания частиц среды, называется продольной волной. Волна, в которой колебательное движение совершается перпендикулярно к направлению распространения колебаний, называется поперечной.

Уравнение плоской волны: S=Acosω(t-x/ʋ), где ω(t-x/ʋ)=φ - фаза волны. Уравнение сферической волны: S=A/r*cosω(t-r/ʋ).

В отличие от колебаний свободного тела в волне не происходит взаимного перехода кинетической и потенциальной энергии частиц. Мгновенные значения той и другой энергии изменяются одновременно (в фазе) соответственно изменению смещения частиц. Среднее значение энергии за период колебания для всех частиц одинаково и составляет: eср = . — объемная плотность энергии волны (Дж/м^3)(энергия колебательного движения частиц в единице объёма вещества). Величина, численно равная средней энергии Е_ср, переносимой волной в единицу времени t через заданную поверхность S, перпендикулярную направлению распространения волны, называется потоком энергии через эту поверхность: Ф = и измеряется в единицах мощности - Вт. Поток энергии, приходящийся на единицу поверхности, называется плотностью потока энергии: и измеряется в Вт/м2. Плотность потока энергии называют также интенсивностью волны.

Вектор , показывающий направление распространения волны и равный потоку энергии, проходящему через единичную площадку, перпендикулярную этому направлению, называют вектором Умова: Вектор Умова для упругой волны зависит от плотности среды, квадрата амплитуды колебания частиц, квадрата частоты колебаний и скорости распространения волны.

Интерференция волн - сложение волн, при котором в разных точках среды образуются усиления и ослабления амплитуды колебаний. Дифракция волн - огибание волнами препятствий, встречающихся на их пути; любое отклонение распространения волн вблизи препятствий от законов геометрической оптики. Когерентные волны - волны, имеющие одинаковые частоты и постоянную во времени разность фаз. Если свойства среды не изменяются под воздействием распространения волны (среды линейные), то будет иметь место принцип суперпозиции волны, согласно которому каждая волна распространяется в среде независимо от других.

Стоя́чая волна́ — колебания в распределённых колебательных системах с характерным расположением чередующихся максимумов (пучностей) и минимумов (узлов) амплитуды. п Уравнение стоячей волны: S=2A*cos(ωx/ʋ)*cosωt График:

Ударные волны - поверхности разрыва, которые движутся относительно газа и при пересечении которых давление, плотность, температура и скорость испытывают скачок.

Эффект Доплера в механике - это изменение частоты волны, воспринимаемой приемником, в зависимости от скоростей источника волн и приёмника относительно среды, в которой распространяется волна.

36 - Звуковые волны - колебания частиц воздуха, которые распространяются во все стороны от места возникновения звука. Акустика - наука о звуке, изучающая физическую природу звука и проблемы, связанные с его возникновением, распространением, восприятием, воздействием. Виды акустики: общая, физическая, электроакустика(техническая), архитектурная, музыкальная, гидроакустика, атмосферная акустика.

Физические характеристики звуковой волны: амплитуда(А), интенсивность(I=W/St), звуковые давление(p), период(Т), частота(ν), длина волны(λ), скорость(ʋ), акустический или гармонический спектр. С ними связаны физиологические характеристики звуковых ощущений: громкость (характеризует уровень слухового ощущения, это ещё и субъективная оценка звука; при увеличении интенсивности звука растёт ощущение громкости; единица громкости - сон - громкость тона частотой 1 кГц, создающего звуковое давление 2 Мпа. Также зависит от амплитуды звуковой волны. Уровень громкости измеряется в фонах), высота тона (обусловлена, прежде всего, частотой тона. В значительно меньшей степени зависит от сложности тона и его интенсивности), тембр (почти исключительно определяется спектральным составом).

В основе создания шкалы уровней громкости лежит закон Вебера-Фехнера: если увеличивать раздражение в геометрической прогрессии, то ощущение этого раздражения возрастает в арифметической прогрессии. Если интенсивность звука I принимает ряд последовательных значений, например, a*I0, a^2*I0, a^3*I0(а - некоторый коэффициент, а>1), то им соответствуют ощущения громкости звука Е0, 2Е0, 3Е0. Е=klg(I/I0), k - коэффициент пропорциональности

Область слышимости ограничена 2 порогами: нижним порогом слышимости (имеет наименьшее значение порядка 2-10-⁵ Па при частотах звука от 1,5 до 3 кГц) и порогом болевого ощущения (максимальное значение около 200 Па порог болевого ощущения достигает при частотах от 0,5 до 1 кГц.) Порог слышимости звука с частотой 1 кГц, равный 2-10-⁵ Па, называют стандартным порогом слышимости.

В органе слуха выделяют звукопроводящий и звуковоспринимающий отделы. К звукопроводящему отделу относятся ушная раковина и наружный слуховой проход ( наружное ухо), среднее ухо (барабанная перепонка, барабанная полость, слуховые косточки, воздухоносные клетки височной кости и жидкие среды ушного лабиринта). Звуковоспринимающая часть это чувствительные клетки органа Корти, слуховой нерв, нервные проводящие пути и слуховой центр коры головного мозга. Гидродинамическая теория слуха - под влияние звуков в лимфе улитки происходят сложные гидродинамические процессы; гидродинамической называют гипотезу Бекеши и Флетчера. Было установлено, что в улитке звуковые колебания трансформируются в электрическую энергию.

Физические основы звуковых методов исследования в клинике: распространенный звуковой метод диагностики заболеваний – аускультация (выслушивание). Для аускультации используют стетоскоп или фонендоскоп. Фонендоскоп состоит из полой капсулы с передающей звук мембраной, прикладываемой к телу больного, от нее идут резиновые трубки к уху врача. В полой капсуле возникает резонанс столба воздуха, вследствие чего усиливается звучание и улучшается аускультация. При аускультации легких выслушивают дыхательные шумы, разные хрипы, характерные для заболеваний. По изменению тонов сердца и появлению шумов можно судить о состоянии сердечной деятельности. Используя аускультацию, можно установить наличие перистальтики желудка и кишечника, прослушать сердцебиение плода. Для диагностики состояния сердечной деятельности применяется метод, называемый фонокардиографией (ФКГ). Этот метод заключается в графической регистрации тонов и шумов сердца и их диагностической интерпретации. Запись фонокардиограммы производят с помощью фонокардиографа, состоящего из микрофона, усилителя, системы частотных фильтров и регистрирующего устройства.

Принципиально отличным от двух изложенных выше звуковых методов является перкуссия. При этом методе выслушивают звучание отдельных частей тела при их простукивании. При ударе по поверхности тела возникают колебания, частоты которых имеют широкий диапазон. Из этого диапазона одни колебания погаснут довольно быстро, другие же, совпадающие с собственными колебаниями пустот, усилятся и вследствие резонанса будут слышимы. Опытный врач по тону перкуторных звуков определяет состояние и расположение (тонографию) внутренних органов.

37. Ультразвук - высокочастотные механические колебания частиц твердой, жидкой или газообразной среды, неслышимые человеческим ухом. На организм человека при проведении ультразвуковой терапии действуют три фактора:1) механический – вибрационный микромассаж клеток и тканей;2) тепловой – повышение температуры тканей и проницаемости клеточных оболочек;3) физико-химический – стимуляция тканевого обмена и процессов регенерации.В физиотерапевтической практике используются преимущественно отечественные аппараты трех серий: УЗТ-1, УЗТ-2, УЗТ-3.Различают непрерывный(принято называть непрерывный поток ультразвуковых волн. Этот вид излучения используется главным образом для воздействия на мягкие ткани и суставы.) и импульсный ультразвук(представляет собой прерывистое излучение, т. е. ультразвук посылается отдельными импульсами через определенные промежутки времени.

38.Электромагнитными колебаниями называются периодические изменения напряженности Е и индукции В. Электромагнитные колебания могут возникать в цепи, содержащей индуктивность L и емкость C - колебательный контур. Идеал.колебательные контур-без сопротивления.

Поскольку внешнее напряжение к контуру не приложено, сумма падений напряжений на емкости и индуктивности должна быть равна нулю в любой момент времени: откуда, учитывая, что сила тока , получаем дифференциальное уравнение свободных незатухающих колебаний электрического заряда в колебательном контуре .Если ввести обозначение ,то полученное уравнение принимает вид: . Решением этого уравнения, как известно, является функция .

Уравнение свободных затухающих колебаний можно получить, исходя из того, что в отсутствии внешнего источника напряжения, сумма падений напряжений на индуктивности, емкости и сопротивлении равна нулю для любого момента времени: или, поскольку , .Введя обозначение , этому уравнению можно придать вид: ,где .Решение полученного уравнения имеет вид: , ,где .

ТЕОРИЯ МАКСВЕЛЛА: 1. Всякое перемещенное электрическое поле порождает вихревое магнитное поле.

2. Всякое перемещенное магнитное поле порождает вихревое электрическое (основной закон электромагнитной индукции).

Плотность тока – векторная характеристика электрического тока, численно равная отношению силы тока, проходящего сквозь малый элемент поверхности, нормальный к направлению движения заряженных частиц, образующих ток, к площади этого элемента:.j = dl/dS יЕсли эту формулу умножить на заряд q носителя тока, то получим плотность тока:j = qj = qnv.

3 9. Условное разделение электромагнитных колебаний на частотные диапазоны.

Человеческий организм в значительной степени состоит из биологических жидкостей, содержащих большое количество ионов, которые участвуют в различных обменных процессах. Под влиянием электрического поля ионы движутся с разной скоростью и скапливаются около клеточных мембран, образуя встречное электрическое поле, называемое поляризационным. Таким образом, первичное действие постоянного тока связано с движением ионов в разных элементах тканей. Постоянный ток используют в лечебной практике также и для введения лекарственных веществ через кожу или слизистые оболочки-электрофорез лекарственных веществ.

Электромагнитная волна поляризует молекулы вещества и периодически переориентирует их как электрические диполи. Кроме того, электромагнитная волна воздействует на ионы биологических систем и вызывает переменный ток проводимости. Все это приводит к нагреванию вещества.Электромагнитные волны могут влиять на биологические процессы, разрывая водородные связи и влияя на ориентацию макромолекул ДНК и РНК.При попадании электромагнитной волны на участок тела происходит ее частичное отражение от поверхности кожи.

Действие переменного тока на организм существенно зависит от его частоты. При низких, звуковых и ультразвуковых частотах переменный ток, как и постоянный, оказывает раздражающее действие на биологические ткани. Раздражение тканей зависит также и от формы импульсного тока, длительности импульса и его амплитуды(для стимуляции центральной нервной системы (электросна, электронаркоза), нервно-мышечной системы, сердечно-сосудистой системы (кардиостимуляторы, дефибрилляторы) и иного используют токи с различной временной зависимостью).

Лечебное прогревание высокочастотными электромагнитными колебаниями обладает рядом преимуществ перед традиционным и простым способом – грелкой. Прогревание грелкой внутренних органов осуществляется за счет теплопроводности наружных тканей – кожи и подкожной жировой клетчатки. Высокочастотное прогревание происходит за счет образования теплоты во внутренних частях организма, т. е. его можно создать там, где оно нужно Для нагревания тканей токами используются токи высокой частоты. Пропускание тока высокой частоты через ткань используют в физиотерапевтических процедурах, называемых диатермией и местной дарсонвализацией.Токи высокой частоты используются также и для хирургических целей (электрохирургия). Они позволяют прижигать, «сваривать» ткани (диатермокоагуляция) или рассекать их (диатермотомия).

40. Поляризация света – упорядочение в ориентации векторов напряженностей электрического и магнитного полей световой волны в плоскости, перпендикулярной световому лучу. Естественный свет (солнечный, лампы накаливания) неполяризован, т. е. все направления колебаний электрического и магнитного векторов перпендикулярные световым лучам, равноправны. При произвольном угле a между направлениями анализатора и поляризатора амплитуда световых колебаний, выходящих из анализатора, равна: Ea = En cos a,где En– амплитуда колебаний на выходе из поляризатора.В электромагнитной волне плотность энергии (интенсивность) пропорциональна квадрату амплитуды колебаний Е, т. е. In —E2n и Ia —E2a.На основании этого получаем:

Ia = In cos2 a- закон Малюса.

Существуют приспособления, называемые поляризаторами, которые обладают способностью пропускать через себя световые лучи с одним направлением колебаний электрического вектора Е, так что на выходе поляризатора свет становится плоско (линейно) поляризованным.

Поляризация происходит и на границе двух изотропных диэлектриков. Если падающий свет естественный, то преломленный и отраженный лучи частично поляризованы, причем преимущественное направление колебаний электрического вектора преломленной волны лежит в плоскости падения, а отраженный – перпендикулярно ей. Степень поляризации зависит от показателя преломления второй среды относительно первой:n21 = n2/n1 и от угла падения а, причем при угле падения аБ, для которого tg аБ = n21 (закон Брюстера), отраженный луч поляризован практически полностью, а степень поляризации преломленного луча максимальна.

Двойным лучепреломлением называется способность некоторых веществ, в частности кристаллов, расщеплять падающий световой луч на два луча – обыкновенный (О) и необыкновенный (Е), которые распространяются в различных направлениях с различной фазовой скоростью и поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Призма Николя-для получения полностью плоскополяризованного света на основании яыления двойного лучепреломления(с.70 методичка).Стопа Столетова-сложенные вместе стеклянные пластины для получения плоскополяризованного света на основании явл.поляризации света при отражении и преломлении на диэлектрике(с.68).Поляроиды-поляризационные светофильтры, предназначенные для получения плоскополяризованного света на основе явления дихоризма.

41.Оптически активные в-ва-способные вращать плоскость поляризации(р-р сахара,скипидар,кварц).Оптич.автив. связана с ассимерией строения молекул.Молекула может вращать плоскость поляризации , если она не имеет ни центра , ни плоскости симметрии.Бывают:1)левовращающие молекулы-вращают плоскость против часовой стрелки или L-форма 2)Правовращательные-по часовой стрелке-D-форма.Молекулы этих веществ представляют собой зеркальное отражение одна другой и нахываются хиральными.

Свет, вектор которого вращается без изменения своей величины,называется поляризованным по кругу или светом с круговой поляризацией.

Метод определения концентрации оптически активного вещества в растворе, основанный на зависимости угла поворота плоскости поляризации света от концентрации вещества в растворе-поляриметрия.

В медицине пояриметрия часто используется для определения концентрации сахара в моче, поляриметр, спольщуемый в таких целях называется сахариметром.

Закон Био:угол вращения плоскости поляризации света оптически активным веществом обратно пропорционален квадрату длины волны света: =b/λ²,где b-постоянная для данной длины l и данного оптически активного вещества величина.

Угол поворота зависит от длины волны света за счет зависимости от длины волны удельного вращения α. Зависимость удельного вращения от длины волны света α=f(λ) называется вращательным спектром.

Приборы для определения зависимости удельного вращения α от длины волны света называются спектрополяриметры. Используются для определения вида оптически активного вещества в растворах по их вращательному спектру.

Колориметрия — метод химического анализа, основанный на определении концентрации вещества по интенсивности окраски растворов (более точно — по поглощению света растворами).

42. Дисперсией света называется зависимость показателя преломления л вещества от частоты v (длины волны l) света или зависимость фазовой скорости v световых волн от его частоты v.Часто под дисперсией света понимают явления разложения белого света в спектр, т.е. на монохроматические волны, еапример, с помощью призмы.

Области, в которых показатель преломления возрастает с увеличением частоты-области нормальной дисперсии, показатель падает- области аномальной дисперсии.

Скорость света в веществе: , -абс.диэлектрич. проницаемость в-ва, - его абс.магнитная проницаемость.Учитывая связь абс. и относ. проницаемостей в-ва: ,где -относ.диэлектр.прониц.в-ва, -его относ.магнитная проницаемость, =8,85*10^-12Ф/м и 4π *10^-7H/A²-электрич. и маг.постоянные.Учитывая, скорочть света в вакууме: . Используя определение абсолютного показателя преломления вещества n=c/Ʋ,находим , для диэлектриков 1 ,поэтому справедливо n ≈ .

43.При падении светового луча на вещество ,энергия электромагнитных колебаний расходуется на возбуждение возбежденных колебаний электронной орбиты атомов.В результате воздействия электромагнитной волны на атом, возникает колеблющийся диполь,в котором центры положительно и отрицательно заряженных зарядов периодически меняются местами.С квантовой точки зрения, при вз. кванта света с колеблющ.диполем, при переходе частоты света к области резонанса, возрастает стремление атома к поглощению кванта, что выражается в росте эффективного сечения поглощения, которое начинает значительно превышать геометрические размеры атома.

Спектр поглощения — зависимость показателя поглощения вещества от длины волны (или частоты, волнового числа, энергии кванта и т. п.) излучения. Он связан с энергетическими переходами в веществе.

Физ.смысл. показателя поглощения-показ.поглощения показывает, какая доля интенсивности монохроматического света поглощается единицей толщины вещества.

Закон Бугера:Показатель поглощения зависит и от частоты падающего света ѵ,т.е. k=f(ѵ).при ∆x→0,имеем:dI/I=-kdx-дифференц.форма.Интегрируя, получаем: . После интегрирования:ln I/I₀= -kx=>I=I₀e^-kx, I₀-интенсивность света ,падающего на вещество- интегральная форма.

44.К оптическим методам анализа относят физико-химические методы, основанные на взаимодействии электромагнитного излучения с веществом. Это взаимодействие приводит к различным энергетическим переходам, которые регистрируются экспериментально в виде поглощения излучения, отражения и рассеяния электромагнитного излучения. Спектроскопия.Фотометрия.

Закон Бэра: показатель поглощения прямо пропорционален концентрации вещества в окрашенных растворах.

Закон Бугера–Ламберта–Бэра — физический закон, определяющий ослабление параллельного монохроматического пучка света при распространении его в поглощающей среде. Основой количественного анализа является закон Бугера-Ламберта-Бера:А = e l c,где А = –lg (I / I0) = –lg T – оптическая плотность; I0 и I – интенсивность потока света, направленного на поглощающий раствор и прошедшего через него;с – концентрация вещества, моль/л;l – толщина светопоглощающего слоя;e - молярный коэффициент светопоглощения;T - коэффициент пропускания.

Если свет поглощается слоем раствора конечной толщины Н, то:I_H=I_oD^-D,D=ӽ’C H-оптическая плотность раствора, I_H-интенсивность света , прошедшего через раствор.D=lg I_o/ I_H. = I_H/ I_o-прозрачность раствора.

Фотоэлектроколориметр-прибор для определения концентрации вещества в окрашенном растворе.:источник света, диафрагмы, кюветы с раствором и рстворителем,зеркала, светофильтры,диафрагмы,фотоэлементы, устройство сравнения, гальванометр.

45. Рассеяние света — рассеяние электромагнитных волн видимого диапазона при их взаимодействии с веществом. При этом происходит изменение пространственного распределения, частоты, поляризации оптического излучения, хотя часто под рассеянием понимается только преобразование углового распределения светового потока.

Виды рассеяния, свойственные для света:

• Рассеяние Рэлея — упругое рассеяние на малых частицах, размером много меньше длины волны.

• Рассеяние Ми — упругое рассеяние на крупных частицах.

• Рассеяние Мандельштама — Бриллюэна — неупругое рассеяние на колебаниях решётки.

• Рассеяние Рамана — неупругое рассеяние на атомных колебаниях в молекуле.

• Рассеяние Тиндаля — упругое рассеяние света неоднородными средами.

Геометрическое рассеивание-обусловленное в основном законами отражения и преломления света.Наблюдается ,если размер частиц значительно превыщает длину волны света.

Дифракционное рассеивание-если размеры частиц соизмеримы с длиной волны света.

Рэлеевское рассеяние — когерентное рассеяние света без изменения длины волны (называемое также упругим рассеянием) на частицах, неоднородностях или других объектах, когда частота рассеиваемого света существенно меньше собственной частоты рассеивающего объекта или системы. Эквивалентная формулировка: рассеяние света на объектах, размеры которых меньше его длины волны.

Рассеяние Тиндаля— оптический эффект, рассеяние света при прохождении светового пучка через оптически неоднородную среду. Обычно наблюдается в виде светящегося конуса (конус Тиндаля), видимого на тёмном фоне.

46.Рассеяние света, как и поглощение, подчиняется закону Бугера:I=I₀ ^, k-показатель поглощения, -показатель ослабления света вследствие рассеяния.

НЕФЕЛОМЕТРИЯ И ТУРБИДИМЕТРИЯ- методы количеств. хим. анализа, основанные на измерении интенсивности света, соотв. рассеянного исследуемой дисперсной системой (суспензия или аэрозоль) и прошедшего через нее. Для измерения концентраций суспензий бактериальных клеток в фармацевтических, санитарно-эпидемиологических и клинических лабораториях.

47.Линзы –прозрачные тела,ограниченные двумя поверхностями, преломляющие световые лучи и способные формировать лптические изображения предметов.Собирающая-отклоняющая падающие на нее лучи к главной оптической оси (двояковыпуклая, плосковыпуклая,вогнуто-выпуклая).Рассеивающая- отклоняющая падающие на нее лучи от главной оптической оси(двояковогнутая,плосковогнутая,выпукло-вогнутая).

Формула тонкой линзы:1/d+1/f=1/F=D,d-расстояние от линзы до предмета, f-от линзы до изображения, F-фокус, D-оптическая сила линзы. Между оптической силой и радиусами кривизны поверхностей тонкой линзы R1 R2 существует связь: ,n и n0-абс.показатели преломления линзы и окружающей среды.

Аберрации - погрешности изображений, даваемых оптическими системами. Проявляются в том, что оптические изображения в ряде случаев не вполне отчётливы, не точно соответствуют объекту или оказываются окрашенными.

1. Сферическая аберрация —световые лучи, прошедшие вблизи оптической оси, и лучи, прошедшие через отдалённые от оси части оптической системы (например, линзы), не собираются в одну точку.

2. Кривизна́ по́ля изображе́ния — аберрация, в результате которой изображение плоского объекта, перпендикулярного к оптической оси объектива, лежит на поверхности, вогнутой либо выпуклой к объективу.

3. ДИСТОРСИЯ - искажение прямых линий на краях поля, происходящее вследствие неодинакового масштаба изображения на краях и в центре поля.

4. Кома изображения- каждый участок оптической системы, удалённый от её оси на расстояние d (кольцевая зона), даёт изображение светящейся точки в виде кольца, радиус которого тем больше, чем больше d; может рассматриваться как сферическая аберрация лучей, проходящих не через оптическую ось системы.

5. Хроматическая абберация- белый свет разлагается на составляющие его цветные лучи, в результате чего изображения предмета в разных цветах не совпадают в пространстве изображений.

Абберации можно ослабить либо дифрагмированием луча, либо добавляя к основной линзе дополительную с определенным соотношением между показателем преломления вещества линз и радиусами кривизны их поверхностей.

48. Аккомодация глаза - приспособление глаза к ясному видению путем изменения преломляющей силы его оптических сред, в первую очередь хрусталика.

Глаз - это сложная оптическая система. Световые лучи попадают от окружающих предметов в глаз через роговицу. Роговица в оптическом смысле - это сильная собирающая линза, которая фокусирует расходящиеся в разные стороны световые лучи. Причем оптическая сила роговицы в норме не меняется и дает всегда постоянную степень преломления. Склера является непрозрачной наружной оболочкой глаза, соответственно, она не принимает участия в проведении света внутрь глаза.

Светопреломляющий аппарат глаза представляет собой сложную систему линз, формирующую на сетчатке уменьшенное и перевёрнутое изображение внешнего мира, включает в себя, камерную влагу — жидкости передней и задней камер глаза (Периферия передней камеры глаза, т.наз. угол передней камеры (область радужно-роговичного угла передней камеры), имеет важное значение в циркуляции внутриглазной жидкости), хрусталик, а также стекловидное тело, позади которого лежит сетчатка, воспринимающая свет.

Аккомодационный аппарат глаза обеспечивает фокусировку изображения на сетчатке, а также приспособление глаза к интенсивности освещения. Он включает в себя радужку с отверстием в центре — зрачком — и ресничное тело с ресничным пояском хрусталика.

Фокусировка изображения обеспечивается за счёт изменения кривизны хрусталика, которая регулируется цилиарной мышцей. При увеличении кривизны хрусталик становится более выпуклым и сильнее преломляет свет, настраиваясь на видение близко расположенных объектов. При расслаблении мышцы хрусталик становится более плоским, и глаз приспосабливается для видения удалённых предметов. Так же в фокусировке изображения принимает участие и сам глаз в целом. Если фокус находится за пределами сетчатки — глаз (за счёт глазодвигательных мышц) немного вытягивается (чтобы видеть вблизи). И наоборот округляется, при рассматривании далёких предметов.

Зрачок представляет собой отверстие переменного размера в радужке. Он выполняет роль диафрагмы глаза, регулируя количество света, падающего на сетчатку. При ярком свете кольцевые мышцы радужки сокращаются, а радиальные расслабляются, при этом зрачок сужается, и количество света, попадающего на сетчатку уменьшается, это предохраняет её от повреждения. При слабом свете наоборот сокращаются радиальные мышцы, и зрачок расширяется, пропуская в глаз больше света.