
- •Конспект лекцій з дисципліни “Фізика”
- •Частина 1
- •Фізика Конспект лекцій
- •6.050801 “Мікро- та наноелектроніка”,
- •6.050802 “Електронні пристрої та системи”,
- •6.050701 “Електротехніка та електротехнології”,
- •6.050201 “Системна інженерія”
- •Частина 1
- •Передмова
- •Розділ 1 Фізичні основи класичної механіки Тема 1 Кінематика §1 Простір і час. Система відліку. Матеріальна точка. Радіус-вектор. Траєкторія, шлях, переміщення [7]
- •§2 Середня й миттєва швидкість. Визначення переміщення і шляху тіла за його швидкістю [4]
- •§3 Прискорення. Визначення швидкості тіла за його прискоренням. Швидкість та координати тіла під час рівноприскореного руху [1]
- •§4 Тангенціальне й нормальне прискорення. Радіус кривизни [1]
- •§5 Вектор кутового зміщення. Кутові швидкість і прискорення. Зв’язок між кутовими й лінійними величинами [1]
- •Тема 2 Динаміка матеріальної точки §6 Перший закон Ньютона. Інерціальні системи відліку [12]
- •§7 Інертність. Маса. Сила. Другий закон Ньютона [7]
- •§8 Третій закон Ньютона. Приклади, що ілюструють третій закон Ньютона [4]
- •§9 Одиниці вимірювань фізичних величин. Основні й похідні одиниці вимірювань. Розмірність [4,13]
- •§10 Закон всесвітнього тяжіння. Сила тяжіння і вага тіла. Вага тіла, що рухається з прискоренням [4]
- •§11 Сила тертя спокою, коефіцієнт тертя спокою. Сила тертя ковзання, коефіцієнт тертя ковзання [4]
- •§12 Сила пружності. Закон Гука. Розтягування і стискування стержнів, модуль Юнга [4]
- •Тема 3 Закони збереження §13 Закон збереження імпульсу для системи матеріальних точок [4]
- •§14 Центр мас системи матеріальних точок. Швидкість і прискорення центра мас [4]
- •§15 Робота змінної сили. Теорема про кінетичну енергію для системи матеріальних точок [7]
- •§16 Робота сили тяжіння, сили всесвітнього тяжіння, сили пружності. Консервативні сили [4,7]
- •§17 Потенціальна енергія. Взаємний зв’язок потенціальної енергії і консервативної сили [4,7]
- •§18 Повна механічна енергія системи матеріальних точок. Закон збереження повної механічної енергії для системи матеріальних точок. Робота неконсервативних сил [4]
- •§19 Зіткнення тіл. Швидкості тіл після центрального абсолютно пружного та абсолютно непружного ударів [4]
- •Тема 4 Тверде тіло в механіці §20 Момент сили і момент імпульсу. Рівняння моментів для матеріальної точки [7]
- •§21 Рівняння моментів для системи матеріальних точок. Закон збереження моменту імпульсу [1]
- •§22 Швидкість довільної точки твердого тіла під час його плоского руху. Кутова швидкість обертання твердого тіла. Миттєва вісь обертання [4]
- •§23 Рух центра мас твердого тіла. Прискорення центра мас твердого тіла [4]
- •§24 Обертання твердого тіла навколо нерухомої осі. Рівняння динаміки обертального руху відносно нерухомої осі [4]
- •§25 Момент інерції циліндра (диска) відносно осі симетрії [4]
- •§26 Момент інерції стержня [4]
- •§27 Теорема Гюйгенса-Штейнера [7]
- •§28 Робота тіла, що обертається навколо нерухомої осі [4]
- •§29 Кінетична енергія твердого тіла за умови плоского руху [4]
- •§30 Рівняння руху і рівноваги твердого тіла. Прискорення циліндра, який котиться без ковзання з похилої площини [1,7]
- •Тема 5 Неінерційні системи відліку §31 Неінерціальні системи відліку. Сили інерції. Поступальна сила інерції [7]
- •§32 Відцентрова сила інерції [4]
- •§33 Сила Коріоліса [4]
- •Тема 6 Механіка рідин §34 Методи Лагранжа та Ейлера для опису течії рідини. Трубка течії [4,14]
- •§35 Теорема про нерозривність потоку [4]
- •§36 Рівняння Бернуллі [4]
- •§37 Витікання рідини з малого отвору. Формула Торрічеллі [4]
- •§38 Сила внутрішнього тертя. Формула Ньютона для сили внутрішнього тертя. В’язкість. Ламінарна і турбулентна течія рідини. Число Рейнольдса [1]
- •§39 Рух тіл у рідинах та газах. Сила лобового опору. Піднімальна сила. Парадокс д’Аламбера. Вплив в’язкості на характер обтікання тіла рідиною. Сила Стокса [4]
- •Тема 7 Елементи спеціальної теорії відносності §40 Принцип відносності Галілея. Перетворення Галілея [4]
- •§41 Постулати спеціальної теорії відносності. Відносність одночасності [4,7]
- •§42 Перетворення Лоренца [4]
- •§43 Перетворення швидкостей у спеціальній теорії відносності [4]
- •§44 Лоренцеве скорочення довжини [4]
- •§45 Релятивістське уповільнення ходу часу [4]
- •§46 Інтервал і його інваріантність. Швидкість світла як гранична швидкість поширення довільного сигналу [4]
- •§47 Закон збереження імпульсу в спеціальній теорії відносності. Релятивістське рівняння динаміки [4]
- •§48 Кінетична енергія в спеціальній теорії відносності [4]
- •§49 Енергія спокою. Повна енергія. Взаємозв'язок маси й енергії спокою [4]
- •Розділ 2 Основи молекулярної фізики і термодинаміки Тема 8 Макроскопічний стан §50 Статистичний і термодинамічний підходи до вивчення теплових властивостей макроскопічних тіл [4]
- •§51 Термодинамічна система. Параметри стану системи. Рівноважні та нерівноважні стани. Термодинамічний процес. Квазистатичний процес [4]
- •§52 Температура. Термометр. Загальний (нульовий) закон термодинаміки. Основна властивість температури. Шкала температур Цельсія. Абсолютна температура [8]
- •§53 Основні положення молекулярно-кінетичної теорії речовини. Броунівський рух [4,15]
- •§54 Рівняння стану термодинамічної системи. Рівняння стану ідеального газу як результат узагальнення експериментальних досліджень [4]
- •§55 Барометрична формула [4]
- •§56 Тиск ідеального газу з точки зору молекулярно-кінетичної теорії [8]
- •§57 Молекулярно-кінетичний зміст абсолютної температури [4]
- •§58 Ступені вільності механічної системи. Теорема про рівномірний розподіл кінетичної енергії за ступенями вільності. Середня енергія молекули [4]
- •Тема 9 Перший закон термодинаміки §59 Внутрішня енергія термодинамічної системи [4]
- •§60 Робота, що виконується тілом при змінах його об'єму [4,8]
- •§61 Кількість теплоти. Перший закон термодинаміки. Вічний двигун першого роду [8]
- •§62 Теплоємність. Питома й молярна теплоємність. Теплоємність при постійному тиску, при постійному об'ємі. Внутрішня енергія ідеального газу. Рівняння Майєра. Стала адіабати [4]
- •§63 Рівняння адіабати ідеального газу [4]
- •§64 Політропічні процеси. Показник політропи. Рівняння політропи [4]
- •§65 Робота, що виконується газом при ізопроцесах [4]
- •§66 Класична теорія теплоємності ідеального газу [4]
- •Тема 10 Другий закон термодинаміки §67 Будова і принцип дії теплової машини. Коефіцієнт корисної дії теплової машини [8]
- •§68 Вічний двигун другого роду. Другий закон термодинаміки. Формулювання другого закону термодинаміки Томсона і Клаузіуса [8]
- •§69 Оборотні і необоротні процеси. Цикл Карно. Перша і друга теореми Карно [8]
- •§70 Нерівність і рівність Клаузіуса. Ентропія. Закон зростання ентропії [8]
- •§71 Ентропія ідеального газу [8]
- •Тема 11 Статистичні розподіли §72 Функція розподілу ймовірності. Функції розподілу молекул за швидкостями Максвелла [4,8]
- •§73 Середні швидкості молекул. Число ударів молекул об одиничну поверхню за одиницю часу [8]
- •§74 Розподіл Больцмана [4]
- •Тема 12 Явища перенесення §75 Довжина вільного пробігу молекул [8]
- •§76 Емпіричні рівняння, що описують дифузію, теплопровідність, внутрішнє тертя. Якісне пояснення явищ перенесення в газах [4]
- •Тема 13 Реальні гази та рідкий стан §77 Реальні гази. Рівняння Ван-дер-Ваальса [4,8]
- •§78 Ізотерми Ван-дер-Ваальсівського газу. Критичні температура, тиск, об'єм і їх зв'язок із сталими Ван-дер-Ваальса [4]
- •§79 Експериментальні ізотерми [4]
- •§80 Фаза в термодинаміці. Фазове перетворення першого і другого роду. Приклади фазових перетворень. Діаграма станів [4]
- •§81 Будова рідин. Поверхневий натяг рідин. Коефіцієнт поверхневого натягу. Крайовий кут [4]
- •§82 Формула Лапласа. Капілярні явища. Висота піднімання й опускання рідини в капілярах [4]
- •Розділ 3 Електрика Тема 14 Електричне поле у вакуумі §83 Явище електризації. Електричний заряд. Елементарний електричний заряд. Дискретність заряду. Закон збереження електричного заряду [5,16]
- •§84 Закон Кулона. Принцип суперпозиції електричних сил. Одиниці вимірювання заряду [5]
- •§85 Електричне поле. Напруженість електричного поля. Напруженість електричного поля точкового заряду. Принцип суперпозиції електричних полів [5]
- •§87 Зв’язок між напруженістю електростатичного поля і потенціалом. Силові лінії та еквіпотенціальні поверхні. Перпендикулярність силових ліній і еквіпотенціальних поверхонь [5]
- •§88 Поле електричного диполя [5]
- •§89 Потік вектора. Теорема Гаусса для вектора напруженості електричного поля [9]
- •§90 Напруженість електричного поля нескінченної однорідно зарядженої пластини [2]
- •§91 Напруженість електричного поля однорідно зарядженої циліндричної поверхні [2]
- •§92 Напруженість електричного поля об’ємно зарядженої кулі [2]
- •§93 Диференціальна форма електростатичної теореми Гаусса. Значення теореми Гаусса в теорії електрики [9]
- •Тема 15 Електричне поле у діелектриках §94 Поляризація діелектриків. Зв’язані заряди. Механізми поляризації [9]
- •§95 Вектор поляризації. Поверхнева густина зв’язаних зарядів. Зв’язаний заряд усередині діелектрика [9]
- •§96 Вектор електричної індукції. Теорема Гаусса для діелектриків [9]
- •§97 Поляризованість і діелектрична проникність [9]
- •§98 Умови на межі поділу двох діелектриків [17]
- •Тема 16 Провідники в електричному полі §100 Умови рівноваги зарядів на провіднику. Електричне поле усередині провідника. Напруженість електричного поля біля поверхні провідника [9]
- •§101 Електроємність відокремленого провідника. Ємність кулі [5]
- •§102 Конденсатор. Ємність конденсатора. Ємність плоского і циліндричного конденсатора. Ємність системи, що складається з послідовно та паралельно з’єднаних конденсаторів [5]
- •Тема 17 Енергія електричного поля §103 Енергія системи точкових зарядів [5]
- •§104 Енергія зарядженого провідника. Енергія зарядженого конденсатора [5]
- •§105 Енергія електричного поля [5]
- •Тема 18 Постійний електричний струм §106 Електричний струм. Густина електричного струму з мікроскопічної точки зору. Рівняння неперервності для електричного заряду [5,9]
- •§107 Сторонні сили. Електрорушійна сила. Робота над електричним зарядом на ділянці кола [5]
- •§108 Закон Ома для однорідної ділянки кола. Залежність опору від геометричних розмірів провідника. Закон Ома в диференціальній формі. Провідність [5]
- •§109 Закон Ома для неоднорідної ділянки кола в диференціальній і інтегральній формі. Закон Ома для замкненого кола [5]
- •§110 Правила Кірхгофа [5]
- •§111 Потужність струму. Закон Джоуля-Ленца в інтегральній і диференціальній формі [5]
- •§112 Процеси встановлення струму під час заряду і розряду конденсатора [9]
- •§113 Природа носіїв струму в металах. Дослід Рікке. Ідея Лоренца визначення відношення заряду до маси носія електричного струму в металах. Дослід Толмена і Стюарта [2]
- •§115 Електричний струм у газах. Процеси, що приводять до виникнення носіїв струму при самостійному газовому розряді. Самостійний та несамостійний розряди [5]
- •Список літератури
- •Предметний покажчик
- •Фізика Конспект лекцій
- •Частина 1
§63 Рівняння адіабати ідеального газу [4]
1. У ході будь-якого квазистатичного процесу газ підкоряється своєму рівнянню стану. Для ідеального газу це рівняння має вигляд
(63.1)
(рівняння Менделєєва-Клапейрона).
Відбуваються процеси, у ході яких газ, крім рівняння стану, підкоряється ще деякій додатковій умові, яка визначає характер процесу. Ця додаткова умова може полягати, наприклад, у тому, що один з параметрів стану залишається сталим.
Якщо тиск газу
залишається сталим, то такий процес
називають ізобаричним. У цьому
випадку додаткова умова має вигляд
.
Якщо залишається незмінним об'єм газу
(
),
то такий процес називається ізохоричним.
Нарешті, якщо в ході процесу залишається
незмінною температура (
),
то такий процес називається
ізотермічним. З рівняння (63.1)
випливає, що у випадку ідеального газу
при ізотермічному процесі тиск і об'єм
пов'язані співвідношенням
, (63.2)
яке називається рівнянням ізотерми ідеального газу, а крива, що обумовлена цим рівнянням, називається ізотермою.
Процес, що протікає
без теплообміну із зовнішнім середовищем,
називається адіабатичним
(
).
2. Знайдемо рівняння адіабатичного (адіабатного) процесу, або рівняння адіабати. Для цього використаємо рівняння стану (63.1) та перший закон термодинаміки.
Згідно першого закону термодинаміки
або
. (63.3)
У цьому
рівнянні використали, що внутрішня
енергія ідеального газу визначається
формулою
,
елементарну роботу записали у вигляді
.
Для адіабатичного процесу, як це випливає
з визначення цього процесу, теплообмін
із зовнішнім середовищем відсутній
.
Далі візьмемо диференціал від обох частин рівняння стану (63.1) й прийдемо до рівності
. (63.4)
Виключимо з системи
рівнянь (63.3) та (63.4)
.
Для цього помножимо друге рівняння
(63.3) на відношення
й складемо його з рівнянням (63.4). У
результаті отримаємо
, (63.5)
де
(див. визначення сталої адіабати). Потім
розділимо (63.5) на добуток
:
. (63.6)
Далі виконуємо очевидні перетворення
,
,
,
.
Звідси випливає, що
. (63.7)
Ми отримали рівняння (63.7) адіабати ідеального газу в змінних й . Це рівняння називають рівнянням Пуассона.
Якщо написати рівняння
(63.7) у вигляді
й замінити
відповідно до (63.1) через
прийдемо до рівняння адіабати ідеального
газу у змінних
й
:
(63.8)
(сталі
й
ми включили в константу; отже, константи
у формулах (63.8) і (63.9) мають неоднакове
значення).
Аналогічно, коли
відповідно рівнянню стану
замінити об’єм
у виразі (63.8), то отримаємо рівняння
адіабати у змінних
та
:
або
. (63.9)
3. При доведенні формул вважали, що розглянуті процеси є квазистатичними, які протікають нескінченно повільно. Однак здійснити не тільки нескінченно повільний, а навіть просто дуже повільний адіабатичний процес неможливо, оскільки матеріалів для виготовлення адіабатичної оболонки, які повністю не проводять тепло не існує. Разом з тим кількість теплоти, яким обмінюється тіло із зовнішнім середовищем, буде тим менше, чим швидше протікає процес. Отже, близькими до адіабатичного можуть бути тільки процеси, які протікають досить швидко. Швидкість процесу повинна бути, з одного боку, настільки великою, щоб теплообміном із зовнішнім середовищем можна було знехтувати, а з іншого боку, досить малою для того, щоб процес можна було вважати практично квазистатичним. Такі умови виконуються, зокрема, у межах невеликих об'ємів газу, у якому поширюється звукова хвиля. Тому поведінка газу при проходженні звукової хвилі в межах кожного досить малого об'єму добре описується рівнянням адіабати.