Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика. В 2 частях. Ч.2. Молекулярная физика. Термодинамика. Электродинамика. Учебное пособие
.pdf
81
qUA
tIq
tUIA
t
A
P
tIUA
t
tIUP
IUP
,
где A – работа; U – напряжение на участке цепи; q – количество
электричества.
Количество электричества, которое прошло по участку цепи,
можно определить, если измерить силу тока и время его прохождения.
Если
, то
.
Работа электрического тока на участке цепи равна
произведению напряжения на концах этого участка на силу тока
и на время, в течение которого совершалась работа.
Работу измеряют джоулями, напряжение – вольтами, силу тока –
амперами и время – секундами.
Поэтому можно написать: 1 Дж = 1 В·1 А·1 с.
Физическая величина, которая характеризует скорость
преобразования электрической энергии на данном участке цепи в
другие виды энергии, называется мощностью электрического
тока.
Мощность электрического тока обозначают буквой P.
Следовательно, чтобы найти мощность, надо работу разделить на
время:
. Так как
, то, разделив обе части равенства на
t, получим формулу мощности электрического тока:
или
.
Мощность электрического тока равна произведению
напряжения на силу тока.
За единицу мощности в системе СИ принимают ватт (Вт). Из
формулы мощности тока следует, что:
1 Вт = 1 Дж/1с 1 Дж = 1 Вт·1 с.
82
tUIA
AQ
tUIQ
RIU
tRItIRIQ
2
На практике используют более крупные внесистемные единицы
измерения электрической энергии, например, киловатт-час
1кВт-ч = 1000 Вт·3600 с = 3,6·106 Дж.
Электрический ток нагревает проводник. Объясняется это тем, что
свободные электроны в металлах или ионы в электролитах, двигаясь
под действием электрического поля, взаимодействуют с молекулами
или атомами вещества проводника и передают им свою энергию.
Количество теплоты, выделяющееся в проводнике, равно работе тока:
. Количество теплоты обозначают буквой Q, тогда
или
(11). Пользуясь законом Ома, можно выразить
количество теплоты, выделяющееся в участке цепи при прохождении
тока, через силу тока, сопротивление участка цепи и время. Для этого
заменим в формуле (11) напряжение U на произведение силы тока I и
сопротивления участка R. Так как
, то получим:
.
Количество теплоты, выделяемое при нагревании проводника
электрическим током, пропорционально квадрату силы тока,
сопротивлению проводника и времени.
К этому выводу, но на основании опытов, впервые пришли
независимо друг от друга английский учёный Д.П. Джоуль и русский
учёный Э.Х. Ленц, поэтому сформулированный выше вывод
называется.
Задания
Выучите новые слова и словосочетания:
закон Джоуля-Ленца
??? Ответьте на вопросы.
1. Как определяется работа электрического тока на участке цепи?
2. Что называется мощностью тока?
3. В каких единицах измеряются работа и мощность
электрического тока?
83
BrKKBr
4. Чему равно количество теплоты, выделяющееся в проводнике?
5. Сформулируйте закон Джоуля-Ленца.
Упражнение 19. Решите задачи.
1. Какую работу совершает электрический ток в электродвигателе
стального вентилятора за 30 с, если при напряжении 220 В сила тока в
двигателе равна 0,1 А?
2. Электрическая плитка при силе тока 5 А за 30 мин потребляет
1080 кДж энергии. Рассчитать сопротивление плитки.
3. При напряжении 400 В сила тока в электродвигателе 92 А.
Определить мощность тока в обмотке электродвигателя.
§ 20. Электрический ток в жидкостях. Законы Фарадея
Металлические проводники называют проводниками первого
рода, так как при прохождении через них не наблюдаются химические
превращения.
Вещества, в которых при прохождении тока происходят
химические превращения, называют проводниками второго рода
или электролитами.
Электролитами являются растворы солей, кислот и щелочей. При
растворении молекулы растворяемого вещества распадаются на
положительно и отрицательно заряженные ионы. Ионы в растворе
возникают в результате взаимодействия молекул растворяемого
вещества с молекулами растворителя. Этот процесс называют
электролитической диссоциацией. Например, в результате
электролитической диссоциации часть молекул бромида калия (KBr)
распадается в воде на положительные ионы калия K+ и отрицательные
ионы брома Br-:
Число диссоциированных молекул, степень диссоциации зависит
от температуры, концентрации раствора и диэлектрической
84
Положительные ионы K+ будут
двигаться к катоду
(отрицательному электроду).
Поэтому положительные ионы
называют
катионами.
Отрицательные ионы Br- будут
двигаться к аноду
(положительному электроду). Они
называются анионами.
проницаемости растворителя. С увеличением температуры степень
диссоциации увеличивается и, следовательно, увеличивается число
положительно и отрицательно заряженных ионов. Ионы разных
знаков при столкновении могут образовывать нейтральную молекулу,
то есть рекомбинировать. Обычно в растворах устанавливается
динамическое равновесие, то есть число распадающихся на ионы
молекул в единицу времени равно числу пар ионов, которые за то же
время рекомбинируются.
Итак, носителями заряда в электролитах являются положительно и
отрицательно заряженные ионы. Электролиты обладают ионной
проводимостью.
Если в электролит поместить твёрдые проводящие пластинки
(электроды) и подать на них напряжение, то под действием сил
электрического поля ионы придут в движение (рис. 47). В электролите
возникает электрический ток.
Рис. 47
Достигнув электродов, катионы получают электроны (K+ + e- = K),
а анионы отдают избыточные электроны (Br- – e- = Br) и
превращаются в нейтральные атомы или молекулы. При этом на
электродах выделяется вещество.
85
qkm
Кл
кг
tIq
tIkm
n
A
Процесс выделения на электродах веществ, которые входят в
состав электролита, называется электролизом.
Впервые электролиз наблюдал в 1803 г. в Петербурге В.П. Петров.
В 1833-1834 гг. английский физик М. Фарадей экспериментально
открыл законы электролиза, которые устанавливают, от чего и как
зависит масса выделившегося при электролизе вещества.
Электролиз широко применяется в технике и медицине. Например,
для получения чистых металлов (меди, алюминия и др.), при
покрытии изделий никелем (никелирование) и т.д.
ПЕРВЫЙ ЗАКОН ФАРАДЕЯ. Масса вещества, которая
выделилась на каждом из электродов, пропорциональна заряду,
прошедшему через электролит:
,
где m – масса вещества, которая выделилась на электроде за время t; q
– количество электричества; k – электрохимический эквивалент
вещества, выражают в килограммах на Кулон (1
), численно равен
массе выделившегося на электродах вещества при переносе через
раствор электролита ионами заряда, равного 1 Кл.
Так как
, то
. Следовательно, масса вещества,
выделившегося на каждом из электродов, прямо
пропорциональна силе тока и времени прохождения тока через
раствор электролита.
ВТОРОЙ ЗАКОН ФАРАДЕЯ.
Второй закон Фарадея устанавливает связь электрохимического
эквивалента (k) с атомной массой (А) и валентностью атомов (n),
входящих в состав диссоциирующих молекул.
Отношение атомной массы к валентности (
) называют
химическим эквивалентом.
86
n
A
F
k
1
tI
n
A
F
m
1
Кл101,6
106,023
109,65
19
26
7
A
N
F
e
Электрохимические эквиваленты различных веществ
пропорциональны их химическим эквивалентам:
.
Величина F является универсальной постоянной, то есть
одинакова для всех веществ. Её называют числом Фарадея.
Объединяя оба закона Фарадея, получим:
.
Допустим, что на электроде выделилась масса m, равная (А/n),
тогда из этой формулы получим, что F= I·t или F = q. Таким образом,
число Фарадея, численно равно заряду, который необходимо
пропустить через электролит, чтобы выделить на электроде массу
вещества, равную в килограммах химическому эквиваленту. В
системе СИ F = 9,65·107 Кл/кг-экв = 96500 Кл/моль.
Зная постоянную Авогадро и число Фарадея, можно определить
заряд электрона:
.
Значение элементарного заряда, вычисленное на основании закона
электролиза, совпадает со значением заряда электрона, которое в
дальнейшем было получено при исследовании других явлений.
Задания
Выучите новые слова и словосочетания:
рекомбинировать
электролиз
электролит
электрохимический эквивалент
химический эквивалент
электролитическая диссоциация
??? Ответьте на вопросы.
1. Что такое электролиз?
2. Как формулируется первый закон Фарадея?
3. Каков физический смысл электрохимического эквивалента?
4. Как формулируется второй закон Фарадея?
5. Чему равно число Фарадея и каков его физический смысл?
87
6. Как используют электролиз в промышленности?
Упражнение 20. Решите задачи.
1. Определить валентность никеля, если известно, что за 2 ч
никелирования в 100 параллельно соединённых ваннах
сопротивлением 3 Ом каждая выделилось 430 г никеля. Электролиз
проводился при напряжении 6 В.
2. Электролиз подкисленной воды при нормальных условиях
длится 10 ч, при этом выделяется 1 л кислорода. Определить силу
тока.
88
Заключение
Учебное пособие содержит изложение теоретических вопросов
молекулярной физики, термодинамики и электродинамики как одного
из разделов физики. В отличие от существующих учебников по физике
для иностранных студентов в пособии выдерживаются принципы
обучения, разработанные на подготовительном факультете БГТУ им.
В.Г. Шухова: рациональность изложения, наглядность, методическая
целостность. Включён тематический словарь после каждой новой
темы.
Физика – очень древняя и вечно молодая наука. Физика – наука о
наиболее общих формах движения материи и их взаимных
превращениях, взаимодействиях.
Все взаимодействия осуществляются посредством полей
(гравитационных, электромагнитных, ядерных и др.). Поле, наряду с
веществом, является одной из форм существования материи.
Почти каждый шаг на пути познания физики находит то или иное
практическое приложение. Возник ряд наук, занимающихся
применением явлений, законов физики: биофизика, астрофизика,
физическая химия, металлофизика, физика космических исследований
и др. Физика – база, фундамент для создания новых отраслей техники,
таких как электро- и радиотехника, электронная и вычислительная
техника, приборостроение, микроэлектроника, нанотехнологии,
ядерная техника и др.
Физика является фундаментальной базой для теоретической
подготовки инженера, без которой его успешная деятельности
невозможна.
89
1.1 3,3·1028
12.4 3,2·1016 м/с
2
1.2 828 г
13.1 5·103 В
1.3 112 г
13.2 5,4·1019 В/м; 5,4·10
19
В
1.4 1,37·1022
13.3 4·10-8 Кл
1.5 7,14 моль; 4,3·1024
15.1 1,36·10
-7
Ф
2.1 1,88·1025 м3
15.2 5·103 В
2.2 78 кПа
15.3 1·10
-15
Ф
2.1 300 К
15.4 8·10-7 Дж
4.2 6·10
-21
Дж
17.1 0,5 А
5.1 1,25 МДж
17.2 увеличится в 8 раз
5.2 1,04 кДж
18.1 0,042 кг
5.3 31,2 Дж
18.2 2,5 В
5.4 6 МДж
18.3 30 Ом
6.1 4,9 кДж
18.4 10 Ом
6.2 2,4 кДж
18.5 58 Ом
6.3 83,1 Дж
18.6 4 Ом
6.6 1 МДж; 4,4 МДж
18.7 1,5 А; 0,5 А; 1 А; 1 А; 21 В
8.1 2800 Дж
19.1 660 Дж
8.2 4°C
19.2 24 Ом
8.3 – 840 кДж
19.3 36800 Вт
8.4 2,33 кг
20.1 2
9.2 75,3 МДж
20.2 0,5 А
10.1 10,8 МДж
10.2 44·106 Дж/кг
10.3 67,5 кг
11.1 уменьшится в 2 раза
11.2 1,6·10
-24
H
11.3 1,8·10
-5
H
11.4 1·10-5 Кл; 3·10-5 Кл
11.5 1,03·10-8 Кл
12.1 7,5·104 В/м
12.2 2,6·103 В/м
12.3 1,2·103
Ответы к упражнениям
90
Оглавление
Введение.......……………………………………………………………...4
РАЗДЕЛ 1. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА. ТЕРМОДИНАМИКА...5
ГЛАВА 1. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА…………………………......5
§ 1. Основные положения молекулярно-кинетической теории………..5
§ 2. Идеальный газ. Уравнение состояния идеального газа…………..11
§ 3. Изопроцессы идеального газа……………………....……………...13
ГЛАВА 2. ТЕРМОДИНАМИКА……………………………………...18
§ 4. Температура…………………………..………………………….….18
§ 5. Внутренняя энергия тела ……………………………………...…...21
§ 6. Первый закон термодинамики. Применение первого закона
термодинамики к изопроцессам ………………………….………….....26
§ 7. Второй закон термодинамики. Необратимость
тепловых процессов ……………..……………………………………...28
§ 8. Количество теплоты. Уравнение теплового баланса……………..30
§ 9. Фазовые переходы ………………..………………………………...33
§ 10. Энергия топлива ………………………………………………......41
РАЗДЕЛ 2. ЭЛЕКТРОДИНАМИКА………………………….……...44
ГЛАВА 1. ЭЛЕКТРОСТАТИКА…………………….………………..44
§ 11. Электрический заряд. Закон Кулона ………………………….....44
§ 12. Электрическое поле. Напряжённость
электрического поля…………………………………………………......50
§ 13. Работа сил электростатического поля. Потенциал. Разность
потенциалов……………………………………………………………...55
§ 14. Проводники и диэлектрики…………………………...…………..59
§ 15. Конденсатор………………………………...……………………...64
ГЛАВА 2. ПОСТОЯННЫЙ ТОК………………………………….....67
§ 16. Электрический ток. Электрическая цепь……………………..….67
§ 17. Величины, характеризующие цепь электрического тока……….71
§ 18. Закон Ома для участка и для всей цепи. Соединение
проводников……………………………………………………………...75
§ 19. Работа. Мощность электрического тока. Закон Джоуля-Ленца..80
§ 20. Электрический ток в жидкостях. Законы Фарадея……………...83
ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………….……………………..88
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]