5) Какие типы волн используются при описании волнового движения? Приведите примеры поперечных, продольных и стоячих волн в упругой среде.

При описании волнового движения используют два типа волн: поперечные и продольные.

Волны, в которых колебания происходят перпендикулярно направлению распространения волны, называются поперечными волнами.

Поперечные волны могут распространяться только в твердых телах.

Волны, в которых колебания происходят вдоль направления распространения волны, называются продольными волнами.

Продольные волны могут распространяться в твердых телах, жидкой и газообразной среде.

Помимо этого существуют еще так называемые стоячие волны, образуемые путем сложения двух монохроматических волн, распространяющихся в противоположных направлениях.

Примером поперечной волны может быть колеблющаяся струна рояля или вообще

любой музыкальный инструмент.

Примером продольных волн являются звуковые волны.

Примером стоячей волны являются поперечные колебания струны, закрепленной с обоих концов.

6) Приведите уравнение состояния идеального газа. Какая величина является мерой средней кинетической энергии молекул? Определить температуру идеального газа. если средняя кинетическая энергия поступательного движения его молекулы равна 7_fS7*10E-21 Дж.

Уравнение состояния газа ввел Б. Клапейрон; оно связывает давление, объем и температуру заданной массы газа. Он объединил законы Бойля – Мариотта и Гей – Люссака в виде:

pV = R (273 + t)

Клапейрон впервые употребил графическое изображение обратимых круговых процессов и вычислил работу как соответствующую площадь на графике.

Русский ученый Д.И. Менделеев (1834-1907) объединил уравнение Клапейрона с законом Авогадро – Ампера – Жерара :

pV = (m/ µ) RT

где m – масса газа, µ - его молекулярный вес, R – универсальная газовая постоянная, равная 8,31 (Дж/моль*К).

Данное уравнение является уравнением состояния идеального газа, или уравнением Клайперона – Менделеева.

Мерой средней кинетической энергии молекул является Джоуль.

Дано: Решение:

E=7,87*10^-21 ДжТемпературу идеального газа найдем через формулу средней энергии теплового движения.

Найти:

T-? Е=, Т==

Ответ: Т=380 К.

7) Дайте общую характеристику жидкого состояния. Определите картину процессов при явлениях капиллярности, смачивании, вязкости, поверхностном натяжении. Как объясняют большую теплоемкость воды, большое поверхностное натяжение и свойство капиллярности? Какое значение имеют эти особенности воды в живой природе?

1.Жидкость относят к конденсированным средам. Она является агрегатным состоянием вещества, промежуточным между газообразным и твердым, поэтому обладает свойствами как газообразных, так и твердых веществ (подобно твердым телам обладает объемом, а подобно газам принимает форму сосуда, в котором находится).

В жидкостях имеет место только ближний порядок в расположении частиц т.е. согласованность в расположении только ближайших частиц, и характерная текучесть.

Внутренняя энергия жидкостей состоит из суммы внутренних энергий макроскопических подсистем, на которые можно мысленно разделить всю систему, и энергии взаимодействия этих подсистем. Взаимодействие осуществляется через молекулярные силы с радиусом действия порядка 10^-6 мм. Поскольку для макросистем энергия взаимодействия пропорциональна площади соприкосновения, ее называют поверхностной энергией. Обычно она мала, т.к. мала доля поверхностного слоя, но это не обязательно.

Большая свобода движения молекул в жидкости приводит к большей скорости диффузии в жидкостях по сравнению с твердыми телами, обеспечивая возможность растворения твердых веществ в жидкостях.

Плотности жидкостей значительно больше плотностей газов при тех же давлениях и температурах. К примеру, объем воды при кипении составляет только 1/1600 объема той же массы водяного пара. Объем жидкости мало зависит от давления и температуры. Так , при 20^оС и давлении 1 атм. вода занимает объем в 1 литр, при понижении температуры до 10^оС – объем уменьшится только на 0,0021.

Хотя простой идеально модели жидкости пока не существует, микроструктура ее достаточно изучена и позволяет качественно объяснить большинство ее макроскопических свойств.

Капиллярные явления – физические явления, обусловленные поверхностным натяжением на границе раздела несмешивающихся сред.

Особенности взаимодействия жидкостей со смачиваемыми и несмачивываемыми поверхностями твердых тел служат причиной капиллярных явлений.

Капилляром называется трубка с малым внутренним диаметром.

Если взять капиллярную стеклянную трубку и погрузить один ее конец в широкий сосуд с жидкостью, то вследствие смачивания или несмачивания жидкостью стенок капилляра кривизна поверхности жидкости в капилляре становится значительной. Если жидкость смачивает материал трубки, то внутри ее поверхность жидкости имеет вогнутую форму, если не смачивает – выпуклую. Под вогнутой поверхностью жидкости появляется отрицательное избыточное давление. Наличие этого давления приводит к тому, что жидкость в капилляре поднимается, т.к. под плоской поверхностью жидкости в широком сосуде избыточного давления нет. Если же жидкость не смачивает стенки капилляра, то положительное избыточное давление приводит к опусканию жидкости в капилляре. Высота поднятия (опускания) жидкости в капилляре обратно пропорциональна его радиусу, т.е. чем тоньше капилляр, тем выше поднимется в нем жидкость.

Капиллярные явления играют большую роль в природе и технике. Например, влагообмен в почве и в растениях осуществляется за счет поднятия воды по тончайшим капиллярам. На этом явлении основано действие фитилей, впитывание влаги бетоном и т. д.

Смачивание – явление, которое наблюдается на границе соприкосновения трех агрегатных состояний: жидкость, газ, твердое тело.

Из практики известно, что капля воды растекается на стекле, в то время как ртуть на той же поверхности превращается в несколько сплюснутую каплю. В первом случае говорят, что жидкость смачивает твердую поверхность, во втором – не смачивает ее. Смачивание зависит от характера сил, действующих между молекулами поверхностных слоев соприкасающихся сред. Для смачивающей жидкости силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела больше, чем между молекулами самой жидкости, и жидкость стремится увеличить поверхность соприкосновения с твердым телом. Для несмачивающей жидкости силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела меньше, чем между молекулами жидкости, и жидкость стремится уменьшить поверхность своего соприкосновения с твердым телом.

Смачивание и несмачивание являются понятиями относительными, т. е. жидкость, смачивающая одну твердую поверхность, не смачивает другую. Например, вода смачивает стекло, но не смачивает парафин; ртуть не смачивает стекло, но смачивает чистые поверхности металлов.

Явление смачивание и несмачивание имеет большое значение в технике. Например, в методе флотационного обогащения руды (отделение руды от пустой породы) ее, мелко раздробленную взбалтывают в жидкости, смачивающей пустую породу и несмачивающей руду. Через эту смесь продувается воздух, а затем она отстаивается. При этом смоченные жидкостью частицы опускаются на дно, а крупинки минералов «прилипают» к пузырькам воздуха и всплывают на поверхность жидкости. При механической обработке металлов их смачивают специальными жидкостями, что облегчает и ускоряет обработку.

Вязкость (внутреннее трение) – это свойство реальных жидкостей оказывать сопротивление перемещению одной части жидкости относительно другой. При перемещении одних слоев реальной жидкости относительно других возникают силы внутреннего трения, направленные по касательной к поверхности слоев. Действие этих сил проявляется в том, что со стороны слоя, движущегося быстрее, на слой, движущийся медленнее, действует ускоряющая сила. Со стороны же слоя, движущегося медленнее, на слой, движущийся быстрее, действует тормозящая сила.

Сила внутреннего трения тем больше, чем больше площадь поверхности слоя, и зависит от того, насколько быстро меняется скорость течения жидкости при переходе от слоя к слою.

Чем больше вязкость, тем сильнее жидкость отличается от идеальной, тем большие силы внутреннего трения в ней возникают. Вязкость зависит от температуры, причем характер этой зависимости для жидкостей и газов различен, что указывает на различие в них механизмов внутреннего трения. Особенно сильно от температуры зависит вязкость масел.

Поверхностное натяжение.

С силами притяжения между молекулами и подвижностью молекул в жидкостях связано проявление сил поверхностного натяжения.

Внутри жидкости силы притяжения, действующие на одну молекулу со стороны соседних с ней молекул, взаимно компенсируются. Любая молекула, находящаяся у поверхности жидкости, притягивается молекулами, находящимися внутри жидкости. Под действием этих сил молекулы с поверхности жидкости уходят внутрь жидкости и число молекул, находящихся на поверхности, уменьшается до тех пор, пока свободная поверхность жидкости не достигнет минимального из возможных в данных условиях значения. Минимальную поверхность среди тел данного объема имеет шар, поэтому при отсутствии или пренебрежимо малом действии других сил жидкость под действием сил поверхностного натяжения принимает форму шара.

Большинство жидкостей при температуре 300 К имеет поверхностное натяжение порядка 10^-2 – 10^-1 Н/м. Поверхностное натяжение с повышением температуры уменьшается, т.к. увеличиваются средние расстояния между молекулами жидкости.

Поверхностное натяжение существенным образом зависит от примесей, имеющихся в жидкостях. Существуют вещества (сахар, соль), которые увеличивают поверхностное натяжение жидкости благодаря тому, что их молекулы взаимодействуют с молекулами жидкости сильнее , чем молекулы жидкости между собой. Например, если посолить мыльный раствор, то в поверхностный слой жидкости выталкивается молекул мыла больше, чем в пресной воде. В мыловаренной технике мыло «высаливается» этим способом из раствора.

Поведение воды "нелогично". Получается, что переходы воды из твёрдого состояния в жидкое и газообразное происходит при температурах, намного более высоких, чем следовало бы. Этим аномалиям найдено объяснение. Молекула воды H₂О построена в виде треугольника: угол между двумя связками кислород – водород 104 градуса. Но поскольку оба водородных атома расположены по одну сторону от кислорода, электрические заряды в ней рассредоточиваются. Молекула воды полярная, что является причиной особого взаимодействия между разными её молекулами. Атомы водорода в молекуле H₂О, имея частичный положительный заряд, взаимодействуют с электронами атомов кислорода соседних молекул. Такая химическая связь называется водородной. Она объединяет молекулы H₂О в своеобразные полимеры пространственного строения; плоскость в которой расположены водородные связи, перпендикулярны плоскости атомов той же молекулы H₂О. Взаимодействием между молекулами воды и объясняются в первую очередь незакономерно высокие температуры её плавления и кипения. Нужно подвести дополнительную энергию, чтобы расшатать, а затем разрушить водородные связи. И энергия эта очень значительна. Вот почему так велика теплоёмкость воды.

Вода обладает самым большим поверхностным натяжением из всех других жидкостей, поскольку ее молекулы слипаются друг с другом (когезия) посредством водородных связей. Полярные молекулы притягиваются любой поверхностью, несущей электрический заряд, отсюда ее способность подниматься по тонкой трубке или порам, называемая капиллярностью (адгезия).

Значение данных особенностей воды в живой природе:

Среди самых распространенных в природе жидкостей вода имеет наибольшую теплоемкость, поэтому у нее высокая температура кипения (100 °С) и низкая температура замерзания (0 °С). Подобные свойства воды позволили ей стать главной составляющей внутриклеточных и внутриорганизменных жидкостей. Правда, температура замерзания воды несколько выше, чем было бы идеально для жизни, так как на Земле обширные территории имеют температуры ниже 0 °С. Если кристаллы льда образуются в живом организме, то они могут разрушить его тонкие внутренние структуры и вызвать его гибель. У озимой пшеницы, у ряда насекомых, у лягушек в организме есть природные антифризы, предотвращающие образование льда в их клетках.

Вода способна к когезии, т.е. к сцеплению своих молекул под действием сил притяжения. Вода способна слипаться сама с собой и с другими веществами (можно, например, воду налить в стакан «с верхом» и она не прольется). Это возможно благодаря поверхностному натяжению воды, из-за которого ее поверхность как бы покрыта «кожицей». Эти физические особенности воды позволяют ей выполнять важную биологическую функцию – определение физических свойств клетки: ее объема и упругости (тургесцентностъ). У круглых червей вода полостной жидкости играет роль гидростатического скелета, выполняя опорную функцию.

Способность воды к адгезии. Ее свойство притягиваться любой поверхностью, несущей электрический заряд, позволяет ей подниматься по мелким порам в почве и по сосудам ксилемы у растений на большую высоту.