Вопрос №11.Тепловые двигатели. Кпд тепловых двигателей. 2-ое начало термодинамики.

Тепловой двигатель. Все тепловые двигатели, независимо от их конструктивных особенностей, решают одну задачу – превращение внутренней энергии в механическую. Энергия путём теплообмена передаётся нек-рому газу, к-рый расширяясь, производит работу против внешних сил, приводя в действие определённый механизм. Оч-но, в тепловом двигателе газ не м-т беспредельно расширяться, т.е. тепловой двигатель д-н работать циклично – в ходе цикла за процессом расширения газа следует его сжатие до первоначального состояния.

• 

  Для того, чтобы двигатель в ходе цикла совершил полезную работу, надо чтобы работа в течение расширения газа была больше работы сжатия (как на схеме рис. 4). В этом случае окружающие двигатель тела получат больше механич. энергии, чем отдадут его при сжатии. Доказывается, что температура газа при его сжатии д-на быть ниже, чем при расширении. Начальное и конечное состояния газа при расширении совпадают, cледоват-но, работа сжатия б-т меньше работы расширения лишь в том случае, если во всяком промежуточном состоянии давление в ходе сжатия б-т меньше, чем при расширении. Это возможно, однако, только если на всех промежуточ. этапах температура газа в процессе сжатия меньше, чем при расширении.

• Любой тепловой двигатель состоит из 3-х основных частей: рабочего тела, нагревателя и холодильника. Рабочим телом служит нек-рый газ, за счёт расширения к-рого происходит работа. Рабочее тело получает нек-рое колич-во теплоты Q от нагревателя; на этапе сжатия газ передаёт тепло холодильнику – телу, температура T₂ к-рого остаётся неизменной и всегда меньше температуры нагревателя. За счёт этого давление газа при сжатии ниже, чем при расширении. Это является необходимым условием работы двигателя.

• Коэффициентом полезного действия h называют отношение полезной работы к энергии, к-рое рабочее тело получает от нагревателя, т.е. к количеству теплоты Т.о., даже у идеального теплового двигателя, работающего без потерь, КПД принципиально ниже 100%. КПД мог равняться 100%, если бы в течение цикла не передавалась энергия холодильнику, т.е. когда было бы возможным достичь Но с этим условием работа двигателя невозможна, поск-ку в процессе сжатия газ следует охладить, что и означает передачу холодильнику определённого количecтва теплоты

На принципе запрета возможности сформулированного Дж.Томсоном и М.Планком, основывается 2-ое начало ТД: невозможен процесс, единственным результатом к-рого было бы охлаждение нагревателя и превращения полученного количества теплоты полностью в работу. Иначе говоря, 2-ое начало ТД устанавливает запрет на существование вечных двигателей 2-го рода, т.е. таких, у к-рых КПД

Вопрос №12.Электрический заряд. Закон Кулона. Напряжённость электрического поля.

• Hекоторые частицы (или тела) обладают способностью принимать участие в электрических взаимодействиях. Имеет смысл приписать им некоторую характеристику, которая и будет указывать на это их свойство. Такая характеристика получила название электрический заряд (ЭЗ). Тела, принимающие участие в электрических взаимодействиях, называются заряженными. Итак, ЭЗ как физическая величина определяет, т.о., способность тел подвергаться действию сил, имеющих электрическое или магнитное происхождение.

• в СИ в качестве основной электрич. единицы выбрана единица силы тока – ампер (А). Единица заряда – кулон (Кл) в CИ является производной По определению 1 Кл - это заряд, к-рый протекает ч/з поперечное сечение проводника при силе тока в 1А за 1с: .

• Свойства заряда

1. ЭЗ может быть положительным или отрицательным (электральность определяется 2 противоположными ЭЗ),

2. Величина ЭЗ дискретна (кратна ЭЗ электрона е = 1.6×10^-19Кл).

3. Закон сохранения ЭЗ является в физике фундаментальным - в изолированной системе алгебраическая сумма ЭЗ постоянна (в частной формулировке: скорость увеличения или убыли ЭЗ из нек-рого объема характеризует величину электрич. тока).

4. Инвариантность электрического заряда. Экспериментальныe данные свидетельствуют, что ЭЗ обладает инвариантностью, т.е., его величина не зависит от выбора СО ¾ не зависит от скорости движения частиц.

5. Основное свойство ЭЗ - создание в окружающем пространстве электрического поля (ЭП). Понятие поля как материального (физического) образования, проявляющего себя по силовому воздействию на определенные объекты и, в принципе, бесконечного в пространстве, опирается на понятие силы – меры воздействия или взаимодействия тел.

• 

  Закон Кулона (ЗК). Сила взаимодействия между 2-мя неподвижными точечными ЭЗ q₁ и q₂ в вакууме пропорциональна величинам зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния r между ними: (точечные ЭЗ по геометрич. размерам малы по сравнению с расстоянием ê ÷; сила F направлена по прямой между ЭЗ (рис. 1 - для одинаковых по знаку - отталкивание, для противоположных ЭЗ - притяжение). В СИ коэффициент пропорциональности Здесь e₀- электрическая постоянная (e₀ = 8.85×10^-12Ф/м). Закон Кулона об электрических взаимодействиях в электростатике является основным.

• напряжённость ЭП. Для постоянного r (расстояния между нек-рым центральным зарядом Q и пробным произвольным ЭЗ q₀) оказывается неизменным отношение кулоновской силы F и величины пробного ЭЗ q₀. На основе этого определяется силовая характеристика поля ЭЗ Q - напряжённость E: Здесь коэффициент e - относительная диэлектрическая проницаемость (ДП) среды. Из определения напряжённости ЭП E oчeвидно следует, что

Формулировка ЗК, т.о., важна для понимания сущности понятия напряжённости ЭП ¾ силовой характеристики, выражающей действие данного поля на единич. заряд в определённой точке r пространства в нек-ром веществе. Выражение для кулоновской силы, действующей на ЭЗ q в поле напряженности называют локальной формулировкой ЗК. Её применяют, напр-р, для расчетов силы Кулона в однородном ЭП, т.е. в поле, напряжённость в к-ром не зависит от координат. Для расчета поля, создаваемого несколькими точечными зарядами, следует воспользоваться принципом суперпозиции (рис.2): напряжённость поля, созданных системой из N зарядов, равна сумме напряженностей полей, создаваемых каждым зарядом в отдельности:

Отметим особенность в изображении векторов – вектор напряжённости д-н представляться выходящим от положительных ЭЗ.