Физика

Рисунок 33.

1.Газ в сжатом состоянии. Поршень в положении 1. Обеспечивается изотермическое расширение. Дно соприкасается с нагревателем.

2.Газ расширяется до состояния 2 (P2V2T1), а затем, адиабатически, до состояния

3 (P3V3T2). Совершая работу газ охладится, поэтому Т2<Т1

3 .Для завершения цикла газ возвращается в исходное состояние за счет внешних сил – изотермически до состояния 4.

4.Далее газ адиабатически возвращается в состояние 1.

Врезультате цикла, газ, получив количество теплоты Q1 от нагревателя, и, передав часть тепла Q2 холодильнику, совершил внешнюю работу.

Возникает вопрос – возможен ли переход системы в первоначальное состояние без участия холодильника. Очевидно, что нет. Проведенный Карно опыт лег в основу второго начала термодинамики.

Второе начало термодинамики - невозможен такой периодически действующий механизм, который бы все переданное ему тепло переводил бы в работу. Часть тепла должна быть отдана холодильнику.

Тепловая машина состоит из нагревателя, холодильника и рабочего тела (рис.34) Нагреватель передаёт рабочему телу количество теплоты. Рабочее тело совершает

работу, равную разности количества теплоты, переданного от нагревателя рабочему телу, и количества теплоты, полученного холодильником от рабочего тела. По такому же принципу, но с обратным циклом Карно, работает холодильная машина.

41

Рисунок 34.

КПД тепловой машины.

Тепловые машины благодаря трению и неизбежным тепловым потерям имеют небольшой коэффициент полезного действия (например КПД двигателя внутреннего

Энтропия - математическая абстракция вводимая, как мера беспорядка в системе и для описания термодинамических процессов.

Энтропия dS = da T

Свойства энтропии.

1.Энтропия системы нескольких тел равна сумме энтропии этих тел.

2.При обратимых процессах энтропия неизменна, при необратимых – возрастает.

3.Энтропия изолированной системы не изменяется ни при каких процессах.

Вопросы для самоконтроля.

1.Записать уравнение для работы при изотермическом процессе.

2.Что называется тепловой машиной?

3.Сформулировать второе начало термодинамики?

4.Что называют энтропией?

5.Свойства энтропии.

6.В чем заключается цикл Карно?

7.Чему равен КПД тепловой машины?

8.Что называется числом степеней свободы?

9.Что называется внутренней энергии тела?

10.От чего зависит удельная теплоемкость газов?

11.В чем заключается физический смысл универсальной газовой постоянной? 12.Записать уравнение Майера.

13.Какой процесс называется термодинамическим?

14.Сформулировать первое начало термодинамики.

42

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Основная

1.Грабовский, Р.И. Курс физики. / Р.И. Грабовский. – 6-е изд – СПБ. : Издательство

«Лань», 2002.- 608 с

2.Пронин, В.П. Краткий курс физики / В.П. Пронин. – Саратов. ФГОУ ВПО

«Саратовский ГАУ», 2007 г. – 200 с

Дополнительная

1.Чернов, И.П. Термодинамика. Учебное пособие / И.П. Чернов, В.В. Ларионов, Ю.И.

Порин. – М.: «Высш. школа». - 2007. – 405 с.

2.Пронин, В.П. Практикум по физике : уч. пособия / В.П. Пронин.- 2-е изд. Пронин В.П.

–краткий курс физики. Саратов. СГАУ. 2007 г., 200с.

43

Лекция 5

ЭЛЕКТРОСТАТИКА

1.1.Электрическое поле. Основные законы электростатики.

Минимальным электростатическим зарядом обладает электрон,

ē = -1,6 *10-19 Кл. [q] = Кл.

Вокруг заряженных тел образуется электрическое поле.

Электрическим полем называется особый вид материи, посредством которого взаимодействуют электрические заряды.

Закон сохранения заряда.

В изолированной системе сумма зарядов всех тел есть величина постоянная.

n

∑ qi = const

i=1

Закон Кулона.

Два заряда, находящиеся на расстоянии r, взаимодействуют друг с другом. Сила взаимодействия между зарядами определяется по закону Кулона.

F = k q1q2 r 2

Два заряда взаимодействуют с силой, прямо пропорциональной произведению величин этих зарядов и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

Кроме этого сила взаимодействия между зарядами зависит от электрических свойств среды.

Физический смысл (Ɛ) : показывает во сколько раз сила взаимодействия между зарядами в данной среде меньше, чем в вакууме.

ε = F0

F

44

Электрическое поле характеризуется следующими параметрами:

Характеристики электрического поля.

Потоком напряженности электрического поля называется число силовых линий,

пронизывающих некоторую произвольную поверхность с площадью S (рис.35), расположенную в этом поле.

N = E × S × cosα

α- между направлением силовых линий и нормальной плоскости, в которой находится поверхность S.

[N ]= B × м2 = В × м

м

Рисунок 35.

Теорема Остроградского – Гаусса.

Поток напряженности, пронизывающий определенную замкнутую поверхность, окружающую электрические заряды пропорционален алгебраической сумме окруженных этой поверхностью зарядов.

45

Теорема Остроградского-Гаусса, представляет значительный практический интерес, так как позволяет просто определять напряженность полей, создаваемых заряженными телами различной формы.

Принцип суперпозиции.

Если электрическое поле, образованно не одним зарядом, а системой зарядов, то напряженность поля в какой-либо точке пространства будет определяться как геометрическая сумма напряженности полей созданных каждым зарядом в отдельности.

Рисунок 36.

Результирующая напряженность полей, образованных положительным и отрицательным зарядами в точке, находящейся между зарядами на линии, соединяющей их, равна сумме напряженностей полей каждого заряда, так как эти напряженности направлены в одну сторону (рис. 36)

1.2.Работа электрического поля. Потенциал электрического поля.

Рассмотрим какую работу совершает электрического поля, перемещая единичный точечный заряд, помещенный в какую либо точку этого поля.

dA = Ddr

46

Связь напряженности и потенциала.

Пусть электрическое поле, направленное как показано на рисунке 37, перемещает заряд q из одной точки поля в другую. Запишем выражение для работы, которую при этом совершает поле и получим связь напряженности и потенциала.

Рисунок 37.

Напряженность- это градиент потенциала.

Напряженность направлена в сторону убывания потенциала.

Теорема Ирншоу.

Невозможно статическое распределение двух зарядов в пространстве. Одноименные заряды отталкиваются до такого расстояния, на котором не будет действовать сила

47

взаимодействия, а разноименные притягиваются до тех пор, пока не компенсируют друг друга.

Диполь - совокупность или система, состоящая из разноименных зарядов расположенных на конечном расстоянии друг от друга.

1.3.Проводники и диэлектрики в электрическом поле.

Проводники- материалы, которые имеют свободные и заряженные частицы и эти частицы могут перемещаться в внутри проводника.

Диэлектрики- это вещества, в которых возможность перемещение зарядов затруднена или вообще не имеются свободные заряды.

Внутри проводника, помещенного во внешнее электрическое поле, происходит перераспределение зарядов и образуется собственное внутреннее электрическое поле, которое будет направленно противоположно внешнему электрическому полю. Это перераспределение зарядов внутри проводника будет происходить до тех пор, пока внутренние электрическое поле не скомпенсирует внешнее электрическое поле (рис. 38). На этом явлении основной принцип электростатической защиты.

Рисунок 38.

Проводник, помещенный во внешнее электрическое поле, является

эквипотенциальным.

Диэлектрики в электрическом поле.

Диэлектрики в электрическом поле поляризуются, то есть в них тоже возникает внутреннее электрическое поле, но, в отличие от проводников, оно никогда не компенсирует внешнее и, поэтому напряженность не равна нулю. Диэлектрики могут быть полярными и неполярными.

Вполярных диэлектриках атомы представляются в виде диполей хаотически ориентированных в пространстве. Под действием внешнего электрического поля они ориентируются и создают внутреннее поле, которое уменьшает внешнее.

Внеполярных диэлектриках атомы электрически нейтральны. Под действием внешнего электрического поля траектория электронов «вытягивается» и возникают ориентированные против внешнего поля диполи. Создаваемое ими внутренне поле также уменьшает внешнее.

1.4.Электрическая емкость. Конденсатор.

Электрическая емкость-способность тел накапливать электрический заряд.

48

Электрическая емкость определяется отношениям заряда к потенциалу, но не зависит ни от заряда, ни от потенциала.

Большой электрической емкостью при малых размерах обладает устройство называемое конденсатор.

Конденсатор- система, состоящая из двух или нескольких проводящих пластин разноименно заряженных, разделенных слоем диэлектриков.

Емкость конденсатора зависит от: S пластин, от расстояния между пластинами, от относительной диэлектрической проницаемости

диэлектрика, находящегося между пластинами конденсатора.

С = ε 0εS d

Конденсаторы обладают значительной емкостью. Они могут соединяться в батареи параллельно или последовательно(рис.39).

Рисунок 39.

Энергия электростатического поля.

Для зарядки проводника необходимо совершить работу по преодолению кулоновских сил отталкивание между одноименными зарядами. Определим энергию заряженного проводника.

Проводнику, имеющему емкость, небольшими порциями сообщается заряд dq, переносимый из бесконечности, где потенциал равен нулю. По мере зарядки проводника потенциал возрастает и становится равным ϕ .

Определим работу, совершаемую электрическим полем при зарядке этого проводника.

dA = dq(ϕ0 − ϕ ) = −ϕdq dq = −ϕcdϕ

49

E = cϕ 2 - энергия заряженного проводника

2

Вопросы для самоконтроля

1.Что называют электрическим полем?

2.Сформулировать закон сохранения заряда.

3.Назвать основные параметры электрического поля?

4.Как графически изображается электрическое поле?

5.Сформулировать закон Кулона.

6.Что называется диполем?

7.Что происходит в проводниках, помещенных во внешнее электрическое поле?

8.Что называется электрической емкостью?

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Основная

1.Грабовский, Р.И. Курс физики. / Р.И. Грабовский. – 6-е изд – СПБ. : Издательство

«Лань», 2002.- 608 с

2.Пронин, В.П. Краткий курс физики / В.П. Пронин. – Саратов. ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ», 2007 г. – 200 с

Дополнительная

1.Рогачев Н.М. Курс физики. Учебное пособие// С.-Петербург: Издательство «Лань», 2010г.- 448с. 1000 экз.

2.Пронин В.П. Практикум по физике : уч. пособия / В.П. Пронин.- 2-е изд. Пронин В.П. – краткий курс физики. Саратов. СГАУ. 2007 г., 200с.

50