Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика. Учебное пособие для обучающихся по направлению подготовки 35.03.07 Технология производства и переработки сельскохозяйственной продукции, урове.pdf
воздействия (механического, электрического, магнитного) или изме-
xx∆
ε=
F
S
1
.
xF
x ES
∆
= ⋅
нения температуры тела.
Деформация тела приводит к смещению его частиц из первоначальных положений равновесия в узлах кристаллической решетки
в новые положения. Силы взаимодействия между частицами препятствуют этому смещению, вследствие чего в деформированном теле
возникают внутренние упругие силы, равные и противоположно направленные силам, вызывающим деформацию.
Деформация, исчезающая после прекращения действия вызывающих ее внешних сил, называется упругой деформацией; частицы
вещества при этом возвращаются в первоначальное положение. При
неупругих или пластических деформациях форма тела не восстанавливается или восстанавливается частично.
Существует несколько видов деформации: растяжение (сжатие),
изгиб (прогиб), сдвиг, кручение. Простейшим видом деформации является растяжение (сжатие). Деформация растяжения (сжатия) –
это увеличение (уменьшение) длины тела при действии на него двух
равных по модулю и противоположных по направлению сил.
Если тело (стержень) длиной x под действием силы F удлинилось на Δx, то величина Δx называется абсолютной деформацией,
а величина
является мерой деформации растяжения и назы-
вается относительной деформацией.
Физическая величина, численно равная упругой силе, приходящейся на единицу площади сечения тела, называется механическим
напряжением:
у
σ=
.
Для упругих деформаций справедлив закон Гука: величина от-
носительной деформации пропорциональна деформирующей силе,
действующей на единицу площади поверхности тела:
101
Величина Е – модуль упругости – является характеристикой
упругих свойств вещества, из которого состоит деформируемое тело.
Единицей измерения модуля упругости является Паскаль (Па).
Твердыми биологическими тканями является костная ткань, которая представляет собой сложный материал, состоящий примерно
на 70 % по массе и на 50 % по объему из неорганических кристаллов
гидроксилапатита и на 20 % по массе из органического материала –
волокнистого белка коллагена, обладающего большой эластичностью; остальное – вода и связующие вещества. Максимальное растяжение, которое может выдержать костная ткань, составляет 0,01,
что соответствует изменению длины на 1 %; иными словами, кость
плохо растягивается и в лабораторных условиях ее модуль упругости целесообразно измерять по деформации изгиба.
Величина деформации изгиба характеризуется стрелой про-
гиба λ – наибольшим расстоянием между серединами изгибаемого
тела в изогнутом и неизогнутом состоянии.
Механические свойства костной ткани зависят от возраста животного, условий роста и участка тела организма.
Мягкими биологическими тканями являются кожа, мышцы
и сосудистая ткань. Они состоят примерно на 75 % по массе из волокнистых белков коллагена и около 4 % из эластина, а также основной ткани – матрицы; сосудистая ткань кроме коллагена и эластина
включает в себя гладкие мышечные волокна. Благодаря наличию
эластина ткань может растягиваться до 200–300 %; коллаген растягивается до 10 %. При выполнении животным и человеком различных движений отдельные группы мышц и элементы их опорно-двигательного аппарата подвергаются различным деформациям (чаще
всего растяжению, сжатию, изгибу); они возникают под действием
собственного веса или под действием внешних нагрузок.
Таблица 6.3 – Значения модуля упругости для биологических тканей
№
п/п
Сухожилия, связки,
1
кожа
2 Кровеносные сосуды 500 5 Костная ткань 20 000
3 Нервные стволы 120 6 Алюминий 70
Ткань
Модуль
упругости,
МПа
1500 4 Мышцы 10
102
№
п/п
Ткань
Модуль
упругости,
МПа
Значения модуля упругости для некоторых биологических тканей приведены в таблице 6.3.
Задания для самоконтроля
1. Для изотермического процесса справедливы соотношения …
1) T = const, p > 0, V > 0 3) T > 0, p = const, V > 0
2) T = const, p > 0, V < 0 4) T > 0, p > 0, V = const
2. Процесс, в ходе которого уменьшение внутренней энергии
газа позволяет ему совершить работу над внешними телами, называется …
1) изотермический 3) адиабатный
2) изохорный 4) изобарный
3. На рисунке представлен цикл, осуществляемый с реальным
газом. Изобарному сжатию соответствует участок …
1) BC 3) DA
2) AB 4) CD
4. На TV-диаграмме приведены графики изменения состояния
идеального газа. Изохорному сжатию соответствует линия графика …
1) 2 3) 4
2) 1 4) 3
103
5. Явление _______ заключается в том, что смачивающая жидкость в капилляре поднимается и устанавливается выше, чем в сообщающемся с ним широком сосуде, а несмачивающая жидкость
опускается и устанавливается ниже, чем в сообщающемся с ним широком сосуде.
1) вязкости 3) капиллярности
2) поверхностного натяжения 4) диффузии
6. При погружении в жидкость капиллярной стеклянной трубки уровень жидкости в ней поднимается на 4 мм над уровнем жидкости в сообщающемся с ним сосуде. Если взять капилляр, диаметр
которого в 2 раза больше, то высота поднятия жидкости в нем будет
равна _____ мм.
1) 2 3) 8
2) 4 4) 16
7. При погружении в жидкость капиллярной стеклянной трубки уровень жидкости в ней поднимается на 4 мм над уровнем жидкости в сообщающемся с ним сосуде. Если взять капилляр, диаметр
которого в 2 раза меньше, то высота поднятия жидкости в нем будет
равна _____ мм.
1) 2 3) 8
2) 4 4) 16
8. Утверждение: «Относительная деформация прямо пропорциональна деформирующей силе, приходящейся на единицу площади сечения тела», справедливо для закона …
1) Борелли-Жюрена 3) Гука
2) Ньютона 4) Паскаля
9. Если увеличить в 2 раза значение деформирующей силы, не
меняя площадь поперечного сечения тела, то значение относительной деформации …
1) не измениться 3) уменьшиться в 2 раза
2) увеличится в 4 раза 4) увеличится в 2 раза
10. Если уменьшить в 2 раза значение деформирующей силы,
не меняя площадь поперечного сечения тела, то значение относительной деформации …
1) не измениться 3) уменьшиться в 2 раза
2) увеличится в 4 раза 4) увеличится в 2 раза
104
Упражнения
1. При изготовлении газонаполненных ламп их наполняют
инертным газом при температуре 170 °С и давлении 7,6∙104 Па. Каким станет давление газа в лампе во время ее горения, если температура газа повысится до 330 °С?
2. Определить радиус почвенного капилляра, если высота поднятия воды в нем 2 мм. Смачивание считать полным. Коэффициент поверхностного натяжения взять равным 0,073 Н/м, плотность
воды – 1∙103 кг/м3.
3. Масса 100 капель физиологического раствора, вытекающего
из капилляра, равна 2,3 г. Определить коэффициент поверхностного
натяжения физиологического раствора, если диаметр шейки капли
в момент отрыва равен 1,3 мм.
4. К сухожилию длиной 15 см подвесили груз массой 9 кг,
в результате чего оно удлинилось до 173 мм. На сколько удлинится
сухожилие, если к нему подвесить груз массой 6 кг?
5. Диаметр капилляров, по которым растворенные питательные вещества поступают от корней к стеблям растений? достигает
0,1 мм и более. Рассчитайте, может ли питательная среда подняться
на среднюю высоту дtрева (10 м). Считать, что коэффициент поверхностного натяжения питательной среды такой же, как у воды.
105
7. Первое начало термодинамики
Ключевые понятия: термодинамика, термодинамическая си-
стема, термодинамические параметры, термодинамическое состояние системы, термодинамический процесс, температура, средняя
кинетическая энергия движения молекул, число степеней свободы,
внутренняя энергия газа, конвекция, испарение, тепловое излучение,
теплоемкость, теплопродукция, удельная теплопродукция, первый
закон термодинамики.
7.1. Основные понятия термодинамики
Термодинамика – раздел физики, в котором изучаются усло-
вия и количественные соотношения происходящих в системе превращений энергии.
Термодинамическая система – условно выделенная совокупность макроскопических объектов, обменивающихся энергией друг
с другом или внешней средой.
Различают три типа термодинамических систем:
1. Изолированная – система, которая не обменивается с внеш-
ней средой ни энергией, ни веществом.
2. Закрытая – система, которая обменивается с внешней средой
энергией, но не обменивается веществом.
3. Открытая – система, которая обменивается с внешней сре-
дой и веществом, и энергией.
Термодинамические параметры – значение всех физических
величин, характеризующих макроскопические свойства системы
(давление, объем, температура).
Термодинамическое состояние системы – совокупность значений термодинамических параметров.
Термодинамическая система может находиться в двух стацио-
нарных состояниях:
1) равновесное – состояние изолированной термодинамиче-
ской системы. достигшей максимума энтропии;
106
2) стационарное – состояние открытой термодинамической си-
273.Tt= +
.
22
,
22
стемы, при котором энтропия остается постоянной.
Термодинамический процесс – всякое изменение термодинамического состояния, переход системы из одного состояния в другое.
Различают два вида термодинамического процесса:
1) обратимый – процесс, происходящий как в прямом, так
и в обратном направлении, при котором система возвращается в исходное состояние;
2) необратимый – процесс, протекающий в одном направлении, при котором система не возвращается в исходное состояние.
Интенсивность хаотичного (теплового) движения определяет
тепловое состояние тела (вещества). При изменении интенсивности
этого движения изменяются тепловое состояние тела и его внутренняя энергия.
В качестве характеристики теплового состояния тела вводится
понятие «температура».
Температура (T) – количественная мера интенсивности хао-
тического движения молекул вещества. В международной системе
единиц температура измеряется в Кельванах (К). В нашей стране
единицей измерения температуры является градус Цельсия. Между
температурой, измеренной по шкале Цельсия и Кельвина, существует взаимосвязь, выраженная формулой:
энергией:
Вследствие движения каждая молекула обладает кинетической
2
mv i
к
kTε= =
Кинетическая энергия всех молекул:
2
mv i
E kT= =
к
107
где k – постоянная Больцмана, являющаяся коэффициентом пропор-
Дж
К
,2ii i i=++
к
3
2
kT
5
2
kT
7
2
kT
3kT
5kT
циональности между абсолютной температурой и средней кинети-
23
ческой энергией движения молекул,
= ⋅
1,38 10 ;
k
−
i – число степеней свободы – число одновременных независи-
мых движений;
пост вращ колеб
где i
– число степеней свободы при поступательном движении мо-
пост
лекул;
i
– число степеней свободы при вращательном движении мо-
вращ
лекул;
i
– число степеней свободы при колебательном движении мо-
колеб
лекул.
Представим данные по числу степеней свободы для различных
моделей молекул в виде таблицы 7.1.
Таблица 7.1 – Число степеней свободы и средняя кинетическая энергия
для различных моделей газа
Газ Модель газа
одноатомный
двухатомный
трехатомный,
многоатомный
материальная точка
(один атом)
два атома, жесткая связь
(комнатная температура)
два атома, нежесткая
связь (высокие
температуры)
три (много) атома
жесткая связь (комнатная
температура)
три (много) атома,
нежесткая связь
(высокие температуры)
Число степеней свободы
i
постiвращiколеб
3 – – 3
3 2 – 5
3 2 2 7
3 3 – 6
3 3 4 10
Всего
E
108
От теплового состояния газа зависит его внутренняя энергия.
,
2
i
U RT=
2
im
U RT
M
=
2
i
U RT= ν
.
2
i
U pV=
С позиций МКТ внутренняя энергия – это сумма потенциальной
энергии взаимодействия частиц, составляющих тело, и кинетической энергии их беспорядочного теплового движения. Единицей из-
мерения внутренней энергии является джоуль (Дж).
Внутренняя энергия одного моля газа определяется по формуле:
где R – универсальная газовая постоянная, R = 8,31 Дж·К.
Внутренняя энергия любой массы газа определяется по формулам:
или
или
Внутренняя энергия идеального газа прямо пропорциональна
его абсолютной температуре. Следовательно, при изменении температуры внутренняя энергия идеального газа изменяется; если температура остается постоянной, то и внутренняя энергия не изменяется.
Кроме того, внутренняя энергия зависит от числа степеней свободы,
рода вещества, давления и объема газа.
Внутреннюю энергию системы можно изменить двумя способами:
1) при совершении системой некоторой работы или совершением работы над системой. Например, если нагреть пробирку
с водой, отверстие которой заткнуто пробкой, то через некоторое
время пробка вылетит, то есть газ совершит работу по перемещению пробки;
2) без совершения работы, если отводить или подводить к системе некоторое количество теплоты за счет теплообмена, которое
реализуется в таких процессах, как теплопроводность, конвекция,
испарение, тепловое излучение.
109
Теплопроводность рассмотрена в предыдущей теме (6.3).
Конвекция – передача теплоты в жидких и газообразных телах
путем механического перемешивания нагретых и холодных слоев.
Естественная конвекция обусловлена тем, что нагретые слои газа
или жидкости, имея меньшую плотность, поднимаются вверх, а холодные слои, имея большую плотность, опускаются вниз. За счет
конвекции происходит выравнивание температуры воздуха в помещении, обогреваемом радиаторами центрального отопления. Интенсивность теплового потока, передаваемого от нагретого тела (нагретой поверхности) к окружающей среде при конвекции, пропорционально разности между температурой тела (поверхности) и средней
температурой среды, растет с увеличением кривизны поверхности,
давления окружающего воздуха и скорости движения воздуха.
Испарение – процесс фазового перехода вещества из жидкого
состояния в парообразное (или газообразное), происходящий на поверхности вещества. При испарении влаги тело теряет значительное
количество теплоты. Интенсивность испарения зависит от температуры внешней среды и влажности воздуха. При большой влажности
испарение влаги с поверхности тела замедляется, а следовательно,
замедляется и теплоотдача, что может привести к перегреву организма. Поэтому человеку сложно работать в помещениях с повышенной
влажностью. При низкой влажности наблюдается усиление потоотделения и дальнейшее обезвоживание. Поэтому необходимо поддерживать влажность воздуха в животноводческих комплексах, перерабатывающих цехах, ветеринарных клиниках и других помещениях
в пределах нормы. Нормы влажности для разных помещений различны и приводятся в Санитарных правилах и нормах СанПиН.
Тепловое излучение – это электромагнитное излучение, которое
возникает за счет энергии вращательного и колебательного движения
атомов и молекул в составе вещества. С одной стороны, интенсивность излучения повышается при увеличении внутренней энергии,
а следовательно, и температуры тела. С другой стороны, падающие
на тело электромагнитные волны приносят с собой энергию, которая
повышает его температуру. Теплоотдача путем излучения у теплокровных животных доходит до 60 % от общей теплоотдачи.
Теплоемкость (C) – величина, равная количеству тепла, которое
нужно сообщить телу, чтобы повысить его температуру на 1 градус:
110