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
12. Уравнение
( )
0
, cos
x
xt A t
v
ξ = ω − +ϕ
( )
0
cosAt kt
r
ξ= ω +
( )
, cos
x
xt A t
v
ξ = ω+
2
2 cos cos
x
At
π
ξ= ω
λ
________ волны.
1) бегущей 3) плоской
2) стоячей 4) сферической
справедливо для
13. Уравнение
волны.
1) бегущей 3) плоской
2) стоячей 4) сферической
14. Уравнение
волны.
1) бегущей 3) плоской
2) стоячей 4) сферической
15. Уравнение
волны.
1) бегущей 3) плоской
2) стоячей 4) сферической
справедливо для ________
справедливо для _______
справедливо для _______
Упражнения
1. Согласно санитарным нормам, нахождение человека в помещении с уровнем интенсивности шума 100 дБ не должно превышать
25 мин. Какая энергия проходит за это время через барабанную перепонку человека, площадь которой 65 мм2? Принять I0 = 1∙10
2. Интенсивность ультразвука, используемого для лечения заболеваний суставов у крупного рогатого скота, составляет 1,3∙104 Вт/м2.
Какое количество энергии проходит в тело животного при длительности процедуры 7 мин, если площадь излучателя 14 см2?
3. Шум в коровнике достигает уровня 80 дБ. Такой шум приводит к ухудшению физиологического состояния животных и, в частности, к падению их молочной продуктивности. Во сколько раз надо
уменьшить интенсивность шума в коровнике за счет звукоизоляции,
чтобы уровень шума в нем не превышал 60 дБ?
–12
Вт/м2.
71
4. Шум в помещении птицефабрики днем достигает 90 дБ,
а ночью снижается до 65 дБ. Во сколько раз интенсивность звука
днем больше, чем ночью?
5. Работающая в помещении животноводческого комплекса
электродойка создает уровень шума в 75 дБ. Определить уровень
шума, когда в помещении включены три установки.
Глава II. Молекулярная физика
и термодинамика
Молекулярная физика – это раздел физики, в котором изуча-
ются строение и свойства вещества, исходя из молекулярно-кинетических представлений, основывающихся на том, что все тела состоят из молекул, находящихся в непрерывном хаотическом движении.
Молекулярная физика изучает строение вещества и его изменение под влиянием внешних факторов (давление, температура,
электромагнитное поле), явления переноса (диффузия, теплопроводность, вязкость), фазовое равновесие и процессы фазовых переходов (кристаллизация, плавление, испарение, конденсация), поверхностные явления и т.д.
Термодинамика – раздел физики, изучающий наиболее общие
свойства макроскопических систем и способы передачи и превращения энергии в таких системах.
Термодинамика возникла как наука о процессах, происходящих
в тепловых машинах: паровых котлах, двигателях внутреннего сгорания и т.д., то есть как наука о превращении тепла в механическое
движение, в работу. В настоящее время термодинамика изучает процессы превращения материи, связанные с выделением или поглощением энергии, совершением работы, переносом вещества; процессы
расширения и сжатия, нагрева и охлаждения, плавления и отвердевания, испарения и конденсации, химические реакции, тепловое излучение и т.п.
5. Основы молекулярно-кинетической теории (МКТ). Явления переноса
Ключевые понятия: идеальный газ, уравнение Клаузиуса,
уравнение состояния идеального газа, уравнение Менделеева – Клапейрона, количество вещества, молярная масса вещества, броуновское движение, наиболее вероятная скорость, средняя арифметическая скорость, средняя квадратичная скорость, закон Максвелла,
распределение Больцмана, явления переноса, теплопроводность,
диффузия, вязкость.
75
5.1. Основные понятия и уравнения МКТ
.
F
pS=
2
0
,
1
3
p nm v= ⋅⋅
2
v
Для изучения закономерностей вещества, находящегося в газообразном состоянии, широко используется идеализированная модель реального газа – идеальный газ.
Идеальный газ – воображаемый газ, молекулы которого представляют собой упругие материальные точки, не связанные друг
с другом межмолекулярными силами сцепления.
С точки зрения молекулярно-кинетической теории находящийся в сосуде газ представляет собой совокупность множества хаотично движущихся и соударяющихся друг с другом и стенками сосуда
молекул. При каждом ударе о стенку сосуда молекула действует на
нее с некоторой силой; ввиду многочисленности молекул стенки сосуда испытывают постоянное действие силы. Отношение модуля
силы, действующей на единицу площади поверхности тела, называют давлением:
Единицей измерения давления в системе СИ является Паскаль (Па), внесистемная единица – миллиметр ртутного столба
(мм рт. ст.).
Газ, находящийся в сосуде, занимает весь его объем и оказывает на стенки сосуда давление. Это давление зависит от скорости
движения молекул, массы молекулы и числа молекул в сосуде. Взаимосвязь этих параметров выражается основным уравнением моле-
кулярно-кинетической теории (уравнение Клаузиуса):
где n – число молекул газа (концентрация);
m
– масса одной молекулы газа;
0
– средняя квадратичная скорость движения молекул.
76
Скорость движения молекул зависит от температуры, следова-
,p nkT=⋅⋅
m
pV RT
M
=
,pV RT= ν
тельно, давление газа также зависит от температуры. Взаимосвязь этих
параметров выражается уравнением состояния идеального газа:
где k – постоянная Больцмана
Т – абсолютная температура.
Между давлением, объемом, температурой и родом газа взаимосвязь выражается уравнением Менделеева-Клапейрона:
или
где р – давление газа;
V – объем газа;
m – масса газа;
M – молярная масса;
R – универсальная газовая постоянная, R = 8,31 Дж·К;
T – абсолютная температура.
5.2. Основные положения МКТ
Молекулярно-кинетическая теория (МКТ) – учение о том, что
все вещества состоят из молекул, которые находятся в вечном хаотическом движении. В России основоположником МТК является
Михаил Васильевич Ломоносов.
В основе МКТ лежат три положения.
Первое положение: все вещества – твердые, жидкие, газообразные – дискретны, они состоят из мельчайших частиц – молекул, которые сами состоят из атомов (элементарных частиц).
Молекула – мельчайшая электрически нейтральная частица
вещества, сохраняющая все его физико-химические свойства. Молекулы состоят их атомов.
77
Атом – наименьшая частица химического элемента, сохраняю-
A
N
N
ν=
,
m
M
ν=
0
,
A
A
mN
m
M mN
N
= = =
ν
0
.
AA
mm M
m
NNN
= = =
ν
щая его физико-химические свойства.
Простые вещества состоят из атомов одного и того же химического элемента (например, H2, O2, N2 и т.д.). Сложные вещества состоят из атомов разных химических элементов (например, H2O, HCl,
CO2 и т.д.).
Любое вещество состоит из частиц, поэтому важной величиной
является количество вещества.
Количество вещества (ν) – физическая величина, определяемая числом структурных элементов – молекул, атомов, ионов, из которых состоит вещество. Единицей измерения количества вещества
является моль (моль):
или
где N – число молекул вещества;
NA – постоянная Авогадро, показывающая, сколько атомов или
молекул содержится в одном моле вещества, NA = 6,022·10
233
моль–1;
m – масса вещества;
М – молярная масса вещества. Ее можно определить по таблице
Д.И. Менделеева.
Молярная масса вещества (М) – величина, равная отноше-
нию массы вещества к количеству вещества, то есть это масса одного моля вещества. Единицей измерения молярный массы является
килограмм на моль (кг/моль):
где m0 – масса одной молекулы;
78
Второе положение: молекулы и атомы всех веществ находятся в постоянном хаотическом движении и между ними есть
промежутки.
Опытным подтверждением этого положения является броуновское движение. В 1827 году английский ботаник Броун наблюдал под
микроскопом движение спор растений в капле жидкости. Траектория движения каждой частицы имела вид ломаной линии. Во второй
половине XIX века было доказано, что причиной этого движения являлись беспорядочные удары молекул жидкости о споры растений.
Непрекращающееся движение молекул свидетельствует о том,
что между молекулами всех веществ имеется пространство. Опытным доказательством наличия такого пространства является диффузия вещества. Диффузия протекает во всех веществах в любом
агрегатном состоянии, но с разной скоростью. Наибольшая скорость
диффузии характерна для газообразных тел, несколько меньше, диффузия в жидкостях и медленнее всего в твердых телах.
Третье положение: между молекулами всех веществ всегда
действуют силы притяжения и отталкивания, имеющие электромагнитное происхождение.
Рис. 5.1. Зависимость силы взаимодействия
от расстояния между молекулами
79
На рисунке 5.1:
M
m
M
.
m
M
m
r1 – расстояние между молекулами, на котором сила отталкива-
ния возрастает и стремится к бесконечности;
r2 – расстояние между молекулами, на котором силы притяжения
и отталкивания равны между собой;
r3 – расстояние между молекулами, на котором сила притяже-
ния максимальна.
Из графика видно, что существуют расстояния между частицами, когда сила взаимодействия равна нулю (r2). Это означает, что
силы отталкивания и притяжения равны. Силы отталкивания будут преобладать, если расстояние между молекулами меньше, чем
r0 = 3·10
–10
м (размер молекулы). Если расстояние между молекулами
больше, чем r0, то преобладают силы притяжения.
5.3. Движение молекул веществ
Вследствие хаотического движения молекулы обладают различными скоростями.
1. Наиболее вероятная скорость – скорость, близкой к которой
обладает наибольшее число молекул:
2RT
=
v
в
2. Средняя квадратичная скорость:
v
3RT
=
кв
3. Средняя арифметическая скорость:
8RT
v
=
ар
π
или
или
или
80
2.kT
=
v
в
3
kT
=
v
кв
8.kT
=
v
ар
π