Ответы на экзаменационные билеты по физике (2)

Ответы на экзаменационные билеты по физике (2)

Билет № 1

В основе МКТ строения лежат три утверждения: вещество состоит из частиц; эти частицы беспорядочно движутся; частицы взаимодействуют друг с другом.

Основные положения

1.Вещество состоит из атомов (молекул). Размеры атомов (молекул) очень малы. Число атомов содержащихся в одном моле — число Авагадро NА=6,022·1023. Моль — количество вещества, в котором содержится столько же атомов и молекул, сколько атомов содержится в углероде массой 0,012 кг.

Оценка размеров молекул: это можно сделать при наблюдении за расплывание капельки масла (оливкового) по поверхности воды. Масло никогда не займет всю поверхность, если сосуд велик. Можно предположить, что при растекании масла по максимальной площади оно образует слой толщиной всего лишь в одну молекулу. Толщину этого слоя нетрудно определить и тем самым оценить размеры молекулы оливкового масла. Массу можно узнать по формуле: m=m0N. Кол-во ве-ва

2.Атомы (молекулы) вещества находятся в непрерывном хаотическом тепловом движении. Наиболее яркое доказательство — броуновское движение (Р. Броун, 1827 г.) мелких частиц, взвешенных в жидкости, происходящее из-за непрерывных беспорядочных соударений этих частиц с молекулами жидкости. Другой простой экспериментальный факт, доказывающий тепловое движение атомов вещества, это диффузия.

3.Между атомами (молекулами) вещества действуют силы притяжения и отталкивания, зависящие от расстояния между частицами. На далеких расстояниях (превышающих несколько радиусов молекулы) взаимодействие слабо и носит характер притяжения. С уменьшением расстояния это притяжение сначала несколько возрастает, а затем стремится к нулю. В момент соприкосновения электронных оболочек молекул возникают быстро растущие с уменьшением расстояния силы электростатического отталкивания.

4. Cтроение газов, жидкостей и твердых тел.

Газ: Расстояние между отдельными молекулами (атомами) в газах очень велико по сравнению с размерами самих молекул. Поэтому силы притяжения между молекулами в газе пренебрежимо малы. Следовательно, газы могут неограниченно расширяться, занимая любой предоставленный им объем, а значит и легко сжимается.

Жидкость: Молекулы в жидкости расположены достаточно близко друг к другу, так что при попытке сжатия жидкости возникают большие силы отталкивания. Отсюда малая сжимаемость жидкостей. Молекулы ведут оседлую жизнь, всреднем она равна 10-11с. Жидкости текучи, т. е. не сохраняют свою форму.

Твердые тела: В твердом теле атомы или молекулы могут лишь колебаться вокруг определенных положений равновесия. Поэтому твердые тела сохраняют и форму, и объем. У кристаллических твердых тел центры атомов (молекул) образуют пространственную решетку, в узлах которой находятся атомы вещества. Аморфные твердые тела не обладают жесткой структурой и скорее напоминают застывшие жидкости.

Билет № 2

Модель идеального газа

У разреженного газа расстояние между молекулами во много раз превышает их размеры. В этом случае взаимодействие между молекулами пренебрежимо мало и кинетическая энергия молекул много больше потенциальной энергии взаимодействия. Молекулы газа можно рассматривать как очень маленькие твердые шарики. Вместо реального газа, между молекулами которого действуют сложные силы взаимодействия. Идеальный газ — это газ, взаимодействие между молекулами которого пренебрежимо мало. Принимается, что при соударениях между собой и со стенками сосуда молекулы такого газа ведут себя как абсолютно упругие шарики конечных, но весьма малых размеров. Эти соударения происходят по законам, справедливым для абсолютно упругого удара. Существующие в действительности газы при не слишком низких температурах и достаточно малых давлениях — разреженные газы — по своим свойствам близки к идеальному газу.

Средний квадрат скорости молекул. От этой величины зависит средняя кинетическая энергия молекул. Средняя кинетическая энергия молекул имеет очень большое значение во всей молекулярно- кинетической теории. Среднее значение квадрата скорости определяется формулой.

Билет № 3

Между тремя основными параметрами состояния тела существует связь, называемая — уравнением состояния идеального газа. Концентрация газа (1) NA-постоянная Авогадро, m- масса газа, M- молекулярная масса.

Если подставить (1) в произведение постоянной Больцмана на постоянную Авогадро — универсальная газовая постоянная R=8,31Дж/моль К

Оно записывается в форме зависимости p, V, T .— уравнение состояния идеального газа

R- универсальная газовая постоянная

Изопроцессы — Термодинамические процессы, протекающие в системе с неизменной массой при постоянном значении одного из параметров системы.

Изотермический процесс — Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянной температуре.Для поддержания температуры газа постоянно необходимо, чтобыон мог обмениваться теплотой с большой системой — термостатом.

Иначе при сжатии или расширении температура газа будет менятся. Термостатом может служить атмосферный воздух, если температура его заметно не меняется на протяжении всего процесса. Для газа данной массы произведение давления газа на его объем постоянно, если температура газа не меняется. PV=const при T=const — закон Бойля-Мариотта. В термодинамической диаграмме p-V — кривая линия (Изотерма).

Изобарный процесс — Процесс изменения состояния

термодинамической системы при постоянном давлении.

Для газа данной массы отношение объема к температуре

постоянно, если давление газа не меняется. при p=const, V=const·T —закон Гей-Люссака. Изображается на графике прямой (Изобара). Различным

давлениям соответствует разные изобары.

С ростом давления объем газа при постоянной температуре согласно закону Бойля-Мариотта уменьшается. В области низких температур все изобары идеального газа сходятся в точке Т=0.

Но это не означает, что объем реального газа действительно обращается в нуль. Все газы при сильном охлаждении превращаются в жидкости, а к жидкостям уравнение состояния идеального газа неприменимо. Изобарным можно считать расширение газа при нагревании его в цилиндре с подвижным поршнем. Постоянство давления в цилиндре обеспечивается атмосферным давлением на внешнюю поверхность поршня.

Изохронный процесс — процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном объеме. при V=const p=const·T — закон Шарля

Для газа данной массы отношение давления к температуре постоянно, если объем не меняется. В соответствии с уравнением p=const·T все изохоры начинаются в точке Т=0. Значит, давление идеального газа при абсолютном нуле равно нулю. Увеличение давления газа в любой емкости или в электрической лампочке при нагревании является изохорным процессом. Изохорный процесс используется в газовых термометрах постоянного объема. Изображается на графике прямой (Изохора).

Билет № 4

Пусть жидкость занимает часть объема замкнутого сосуда. При любой температуре существует некоторое количество достаточно энергичных молекул внутри жидкости, которые способны разорвать связи с соседними молекулами и вылететь из жидкости. Чем больше температура и при наличии ветра тем быстрее происходит испарение. В то же время в паре, занимающем остальной объем внутри сосуда, всегда найдутся молекулы, которые влетают обратно в жидкость и не могут вылететь обратно. Таким образом, в этом сосуде все время происходят два конкурирующих процесса — испарение и обратная конденсация. Когда число молекул, покидающих жидкость, становится равным числу молекул, возвращающихся обратно, то наступает динамическое равновесие между жидкой и газообразной фазой, говорят, что пар достиг насыщения.

Пар называется ненасыщенным, если его давление меньше давления насыщенного при данной температуре.

Давление насыщенного пара существенно зависит от температуры: чем она выше, тем больше молекул имеют достаточную энергию, чтобы покинуть жидкость, следовательно, должна возрасти и плотность насыщенного пара.

р0=nkT. Давление пара р0 , при котором жидкость находится в равновесии со своим паром, называется давлением насыщенного пара. Давление насыщеного пара растет не только вследствие повышения температуры жидкости, но и вследствие увеличения концентрации молекул пара.

AB-от увеличение температуры давление возрастает ВС-при испарении всей жидкости давление при постоянном объеме возрастает прямо пропорционально абсолютной температуре

Кипение. По мере увеличения температуры жидкости интенсивность испарения увеличивается, жидкость начинает кипеть. При кипении по всему объему жидкости образуются быстро растущие пузырьки пара, которые всплывают на поверхность. Температура кипения жидкости остается постоянной. Это происходит потому, что вся подводимая к жидкости энергия расходуется на превращение ее в пар.

В жидкости всегда присутствуют растворенные газы, которые выделяются на дне и стенках сосуда, а также на взвешенных в жидкости пылинках. Пары жидкости, которые находятся внутри пузырьков, являются насыщенными. С увеличением температуры давление насыщенных паров возрастает и пузырьки увеличиваются в размерах. Под действием выталкивающей силы они всплывают вверх. Если верхние слои жидкости имеют более низкую температуру, то в этих слоях происходит конденсация пара в пузырьках. Давление стремительно падает, и пузырьки захлопываются. Захлопывание происходит настолько быстро, что стенки пузырька, сталкиваясь, производят нечто вроде взрыва. Множество таких микровзрывов создает характерный шум. Когда жидкость достаточно прогреется, пузырьки перестанут захлопываться и всплывут на поверхность. Жидкость закипит. Перед закипанием чайник почти перестает шуметь.

Зависимость давления насыщенного пара от температуры объясняет, почему температура кипения жидкости зависит от давления на ее поверхность. Пузырек пара может расти, когда давления насыщенного пара внутри его немного превосходит давление в жидкости, которое складывается из давления воздуха на поверхность жидкости (внешнее давление) и гидростатического давления столба жидкости. Кипение начинается при температуре, при которой давление насыщенного пара в пузырьках сравнивается с давлением в жидкости. Чем больше внешнее давление, тем выше температура кипения, и наоборот, уменьшая внешнее давление- понижается температура кипения.

У каждой жидкости своя температура кипения, которая зависит от давления насыщенного пара. Чем выше давление насыщенного пара, тем ниже температура кипения соответствующей жидкости, т.к.. при меньших температурах давление насыщенного пара становится равным атмосферному.

Критическая температура- это температура, при которой исчезают различия в физических свойствах между жидкостью и ее насыщенным паром. Представление о критической температуре ввел Д. И. Менделеев. При критической температуре плотность и давление насыщенного пара становятся максимальными, а плотность жидкости, находящейся в равновесии с паром, — минимальной. Особое значение критической температуры состоит в том, что при температуре выше критической ни при каких давлениях газ нельзя обратить в жидкость. Газ, имеющий температуру ниже критической, представляет собой ненасыщенный пар.

Влажность воздуха

Содержание водяного пара в воздухе, т. е. его влажность, можно характеризовать несколькими величинами.

Парциальное давление водяного пара. Атмосферный воздух представляет собой смесь различных газов и водяного пара. Каждый из газов вносит свой вклад в суммарное давление, производимое воздухом на находящиеся в нем тела. Давление, которое производил бы водяной пар, если бы все остальные газы отсутствовали, называют парциальным давлением водяного пара. Парциальное давление водяного пара принимают за один из показателей влажности воздуха. Его выражают в единицах давления — паскалях или в миллиметрах ртутного столба.

Относительная влажность. По парциальному давлению водяного пара еще нельзя судить о том, насколько водяной пар в данных условиях близок к насыщению. Относительная влажность — величина, показывающая, насколько водяной пар при данной температуре близок к насыщению.

Относительной влажностью воздуха называют отношение парциального давления p водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, к давлению p0 насыщенного пара при той же температуре, выраженной в процентах:

Психрометр — прибор, с помощью которого измеряют влажность воздуха. Он состоит из двух термометров.

Билет № 5

Кристаллы — это твердые тела, атомы или молекулы которых занимают определенные, упорядоченные положения в пространстве. Кристаллы по — разному проводят теплоту и ток в различных направлениях. От направления зависят и оптические свойства кристаллов. Анизотропия — зависимость физических свойств от направления внутри кристалла. Различаются четыре типа кристаллической решетки: 1). Ионные кристаллы — большинство неорганических соединений, например соли, окиси металлов; 2). Атомные кристаллы — кристаллические решетки полупроводников, многие органические твердые тела; 3). Молекулярные кристаллы — бром, метан, нафталин, парафин, многие твердые органические соединения; 4). Металлические кристаллы — металлы. Твердое тело, состоящее из большого числа маленьких кристаллов, называют поликристаллическими. Одиночные кристаллы называют монокристаллами. Аморфные тела не имеют определенной формы в своей структуре строения атома или молекулы, не имеют кристаллической решетки, обладают свойством изотропии. Изотропия — это свойство одинаково передавать тепло, электрический ток по всем направлениям одинаково. Определенной температуры плавления у аморфных тел нет.

Деформацией — наз. изменение формы или объема тела.

Растяните резиновый шнур за концы. Очевидно, участки шнура сместятся друг относительно друга; шнур окажется деформированным — станет длиннее и тоньше. Деформация возникает всегда, когда различные части тела под действием сил перемещаются неодинаково.

Шнур после прекращения действия на него сил возвращается в исходное состояние. Деформации, которые полностью исчезают после прекращения действия внешних сил, называются упругими. Кроме резинового шнура, упругие деформации испытывают пружина, стальные шарики при столкновении и т. д.

Теперь сожмите кусочек пластилина. В ваших руках он легко примет любую форму. Первоначальная форма пластилина не восстановится сама собой. Деформации, которые не исчезают после прекращения действия внешних сил, называются пластическими.

Деформация растяжения (сжатия). Если к однородному стержню, закрепленному одним концом, приложить силу F вдоль оси стержня в направлении от этого конца, то стержень подвергнется деформации растяжения. Деформацию растяжения характеризуют абсолютным удлинением ∆l=l-l0 и относительным удлинением

где l0—начальная длина, а l— конечная длина стержня.

Деформацию растяжения испытывают тросы, канаты, цепи в подъемных устройствах, стяжки между вагонами и т. д.

Если на стержень подействовать силой F, направленной к закрепленному концу, то стержень подвергнется деформации сжатия. В этом случае относительная деформация отрицательна: ε<0.

Деформацию сжатия испытывают столбы, колонны и др.

При растяжении или сжатии изменяется площадь поперечного сечения тела.

Деформация сдвига.

Деформацию, при которой происходит смещение слоев тела друг относительно друга, называют деформацией сдвига.

Если силу F увеличить в 2 раза, то и угол увеличится в 2 раза. Опыты показывают, что при упругих деформациях угол сдвига прямо пропорционален модулю F приложенной силы.

Деформациям сдвига подвержены все балки в местах опор, заклепки и болты, скрепляющие детали, и т. д.

Изгиб и кручение. Более сложными видами деформаций являются изгиб и кручение. Деформацию изгиба испытывает, например, нагруженная балка. Кручение происходит при завертывании болтов, вращении валов машин, сверл и т. д. Эти деформации сводятся к неоднородному растяжению или сжатию и неоднородному сдвигу.

Билет 6.

Внутренняя энергия — это энергия движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело. Внутренняя энергия зависит от температуры тела, его агрегатного состояния, от химических, атомных и ядерных реакций. Она не зависит ни от механического движения тела, ни от положения этого тела относительно других тел. Внутреннюю энергию можно изменить путем совершения работы и теплопередачи. Если над телом совершается работа, то внутренняя энергия тела увеличивается, если же это тело совершает работу, то его внутренняя энергия уменьшается. Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение.

Первый закон термодинамики.

Закон сохранения и превращения энергии, распространенный на тепловые явления, носит название первого закона термодинамики.

Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе:

∆U=А+Q

Если система изолирована, то над ней не совершается работа (A==0) и она не обменивается теплотой с окружающими телами (Q==0). В этом случае согласно первому закону термодинамики ∆U=U2— U1 или U2=U1. Внутренняя энергия изолированной системы остается неизменной (сохраняется) .

Часто вместо работы А внешних тел над системой рассматривают работу A' системы над внешними телами. Учитывая, что A'= -A первый закон термодинамики в форме можно записать так:Q=∆U+A'

Количество теплоты, переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системной работы над внешними телами.

Изохорный процесс. При изо хор-ном процессе объем газа не меняется и поэтому работа газа равна нулю. Изменение внутренней энергии согласно уравнению Q=∆U+A' равно количеству переданной теплоты:

∆U =Q. Если газ нагревается, то Q>0 и ∆U >0, его внутренняя энергия увеличивается. При охлаждении газа Q<0 и ∆U=U2— U1<0, изменение внутренней энергии отрицательно и внутренняя энергия газа уменьшается.

Изотермический процесс. При изотермическом процессе (T==const) внутренняя энергия идеального газа не меняется. Все переданное газу количество теплоты идет на совершение работы: Q==A'. Если газ получает теплоту (Q>0), то он совершает положительную работу (А'>0). Если, напротив, газ отдает теплоту окружающей среде (термостату), то Q<0 и А'<0. Работа же внешних сил над газом в последнем случае положительна.

Изобарный процесс. При изобарном процессе передаваемое газу количество теплоты идет на изменение его внутренней энергии и на совершение им работы при постоянном давлении.

Адиабатный процесс.

Процесс в теплоизолированной системе называют адиабатным. При адиабатном процессе Q=0 и согласно уравнению ∆U=А+Q изменение внутренней энергии происходит только за счет совершения работы: ∆U=А

Нельзя окружить систему оболочкой, абсолютно не допускающей теплопередачу. Но в ряде случаев можно считать реальные процессы очень близкими к адиабатным. Для этого они должны протекать достаточно быстро, так, чтобы за время процесса не произошло заметного теплообмена между системой и окружающими телами.

Билет№ 7

Принципы действия тепловых двигателей.

Для того чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность давлений достигается за счет повышения температуры рабочего тела на сотни или тысячи градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива

Рабочим телом у всех тепловыхдвигателей является газ, который совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела (газа) через t1.

В двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах повышение температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя. Температуру Т1 называют температурой нагревателя.

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя. Невозможность полного превращения внутренней энергии газа в работу тепловых двигателей обусловлена необратимостью процессов в природе. Если бы теплота могла самопроизвольно возвращаться от холодильника к нагревателю, то внутренняя энергия могла бы быть полностью превращена в полезную работу с помощью любого теплового двигателя.

Согласно закону сохранения энергии работа, совершаемая двигателем, равна:

A'=|Ql|-|Q2|

где Q1 — количество теплоты, полученное от нагревателя, a Q2 —количество теплоты, отданное холодильнику.

Коэффициентом полезного действия теплового двигателя называют отношение работы А', совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя: