30. Внутренняя энергия реального газа.

Свойства реальных газов

 

 

Между молекулами реальных газов действуют как силы взаимного притяжения, так и силы отталкивания. При весьма малых расстояниях превалируют силы отталкивания, с увеличением расстояний начинают преобладать силы притяжения. Поэтому молекулы реального газа обладают потенциальной энергией, величина которой закономерно изменяется в зависимости от расстояния между ними.

 Характер этой закономерности виден из рис. 6.1, на котором показана кривая зависимости потенциальной энергии двух молекул реального газа от расстояния между ними.

 Если, преодолевая действие сил отталкивания, сильно сблизить молекулы, то они приобретут потенциальную энергию, весьма существенную по величине, поскольку силы отталкивания очень значительны. При таком положении молекул их энергию можно уподобить потенциальной энергии сжатой пружины. С увеличением расстояния между молекулами сила отталкивания уменьшается, а вместе с ней убывает и их потенциальная энергия, достигая минимального значения в тот момент, когда силы отталкивания и притяжения взаимно компенсируются. После этого потенциальная энергия молекул начинает возрастать, поскольку, пройдя через нулевое значение, результирующая сила взаимодействия меняет направление, превращаясь в силу притяжения. Вместе с тем по абсолютной величине потенциальная энергия уменьшается и уже на расстоянии примерно 10^-7 см становится близкой к нулю. Это означает, что минимальное значение потенциальной энергии отрицательно, как и показано на рисунке.

Характер рассмотренной кривой показывает, что без большой погрешности левую ветвь ее, соответствующую области действия силы отталкивания, можно заменить вертикальной прямой, расположенной на расстоянии d₀ от оси ординат (рис. 6.2). Это означает, что силу отталкивания можно считать бесконечно большой, а сами молекулы – твердыми упругими шариками с диаметром d₀. Иначе это же самое можно представить так, что каждая молекула окружена упругой сферической оболочкой, недоступной для проникновения в нее других молекул (а также и сферических оболочек, окружающих эти молекулы).

Значение потенциальной энергии взаимодействия всех молекул, содержащихся в 1 кг реального газа, можно получить, разбив все молекулы на пары и сложив потенциальные энергии парных взаимодействий всех возможных пар. Очевидно, что это значение зависит от среднего расстояния между молекулами и, следовательно, от удельного объема газа. Таким образом, в противоположность внутренней энергии идеального газа, которая не зависит от объема, у реального газа внутренняя энергия является функцией удельного объема, а, следовательно, и давления.

31. Электрический заряд. Дискретность заряда. Закон сохранения заряда. Закон Кулона.

Электри́ческий заря́д (коли́чество электри́чества) — это физическая скалярная величина, определяющая способность тел быть источником электромагнитных полей и принимать участие в электромагнитном взаимодействии. Впервые электрический заряд был введён в законе Кулона в 1785 году.

Единица измерения заряда в Международной системе единиц (СИ) — кулон — электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А за время 1 с. Заряд в один кулон очень велик. Если бы два носителя заряда (q₁ = q₂ = 1 Кл) расположили в вакууме на расстоянии 1 м, то они взаимодействовали бы с силой 9·10⁹ H, то есть с силой, с которой гравитация Земли притягивала бы предмет с массой порядка 1 миллиона тонн.

Как известно, свойством электрического заряда является дискретность: существует некоторый наименьший, универсальный, неделимый заряд, так что заряд любово тела является кратным этому элементарному заряду - Q=Ne, где e - заряд электрона.

Зако́н сохране́ния электри́ческого заря́да гласит, что алгебраическая сумма зарядов электрически замкнутой системы сохраняется.

Закон сохранения заряда выполняется абсолютно точно. На данный момент его происхождение объясняют следствием принципа калибровочной инвариантности^[1][2]. Требование релятивистской инвариантности приводит к тому, что закон сохранения заряда имеет локальный характер: изменение заряда в любом наперёд заданном объёме равно потоку заряда через его границу. В изначальной формулировке был бы возможен следующий процесс: заряд исчезает в одной точке пространства и мгновенно возникает в другой. Однако такой процесс был бы релятивистски неинвариантен: из-за относительности одновременности в некоторых системах отсчёта заряд появился бы в новом месте до того, как исчез в предыдущем, а в некоторых — заряд появился бы в новом месте спустя некоторое время после исчезновения в предыдущем. То есть был бы отрезок времени, в течение которого заряд не сохраняется. 

Сила взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме направлена вдоль прямой, соединяющей эти заряды, пропорциональна их величинам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Она является силой притяжения, если знаки зарядов разные, и силой отталкивания, если эти знаки одинаковы.

В векторном виде в формулировке Ш. Кулона закон записывается следующим образом:

где   — сила, с которой заряд 1 действует на заряд 2;   — величина зарядов;   — радиус-вектор (вектор, направленный от заряда 1 к заряду 2, и равный, по модулю, расстоянию между зарядами —  );   — коэффициент пропорциональности.