Первое начало термодинамики:

(45)

– количество теплоты , переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергиии на совершение работы против внешних сил – закон сохранения и превращения энергии применительно к термодинамическим процессам.

Количество теплоты считается положительным, если тепло передается из окружающей среды данной системе, механическая работа считается положительной, если система производит работу над окружающими телами.

4.2. Изопроцессы в термодинамике

1. Изотермический (): , .

2. Изохорический процесс (): , .

3. Изобарический процесс (): .

4. Адиабатный процесс (– процесс, при котором нет теплообмена с окружающей средой): (работа против внешних сил совершается за счет уменьшения внутренней энергии, газ охлаждается).

Известно, что изотермический процесс подчиняется уравнению , а адиабатный процесс - уравнению. На рис. 23 представлены для сравнения в координатах графики изотермического и адиабатного процессов. Так как коэффициент Пуассона , то адиабата идет круче изотермы.

Рис.23. Графики изотермического и адиабатического процессов

4.3. Тепловой двигатель

Тепловым двигателем называют периодически действующее устройство, которое превращает получаемую извне теплоту в механическую работу. Схематически тепловой двигатель изображен на рис. 24.

Рис.24. Схематическое представление теплового двигателя

Работа за цикл равна разности принятого газом от нагревателя количества теплоты и отданного газом холодильнику количества теплоты :

.

Тогда КПД ()теплового двигателя определяется как:

, или .(46)

Самой "выгодной" с точки зрения КПД () тепловой машиной является машина, работающая по циклу Карно, состоящему из двух изотерм и двух адиабат (рис.25). На участках 1-2 и 2-3 газ, расширяясь, совершает работу, а на участках 3-4 и 4-1 работа совершается над газом.

Рис. 25. Цикл Карно

В результате кругового цикла Карно внутренняя энергия системы не изменится и произведенная работа определяется площадью фигуры, заключенной внутри контура 1-2-3-4-1.

КПД тепловой машины, работающей по циклу Карно, вычисляется по формуле:

, (47)

где - температура нагревателя,- температура холодильника.

5. Электростатика

5.1. Электрический заряд и его свойства. Закон Кулона

При трении диэлектрических тел о бумагу или мех (янтаря о шерсть, стекла о бумагу) наблюдается явление, получившее название электризации тел. Стекло или янтарь начинают притягивать мелкие твердые предметы. Говорят, что после такого механического трения тела становятся электрически заряженными и начинают взаимодействовать друг с другом (притягиваться или отталкиваться). Считается, что при этом на телах появляются электрические заряды. Условно принято считать, что заряженный при трении янтарь имеет отрицательный заряд, а заряженное при трении стекло – положительный заряд.

Электрический заряд – источник электромагнитного поля, связанный с материальным носителем. Вся совокупность электрических и магнитных явлений есть проявление существования, движения и взаимодействия электрических зарядов. Электрический заряд принято обозначать буквой . Единица измерения электрического заряда – кулон (Кл).

Заряд является фундаментальной характеристикой элементарных частиц.

Существует минимальный электрический заряд, называемый элементарным электрическим зарядом, он обозначается буквой (). Электрон - носитель элементарного отрицательного электрического заряда (). Протон, позитрон () – носители элементарного положительного электрического заряда. Любые заряженные тела имеют заряд, кратный элементарному, то есть электрический заряд дискретен: если число электронов на теле равно , то суммарный электрический заряд тела . Например, электрический заряд в природе не существует.

Обобщение опытных данных позволило Фарадею сформулировать один из фундаментальных законов физики – закон сохранения электрических зарядов: алгебраическая сумма электрических зарядов изолированной системы остается неизменной, какие бы процессы не происходили внутри системы (XVIII в.).

Точечный заряд – заряженное тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь.

Закон Кулона: модуль силы взаимодействия между покоящимися точечными зарядами прямо пропорционален произведению модулей этих зарядов, обратно пропорционален квадрату расстояния между ними и зависит от среды, в которой расположены заряды:

, (48)

где -относительная диэлектрическая проницаемость среды, - электрическая постоянная (полезно запомнить, что ).

Силы взаимодействия между покоящимися точечными зарядами направлены по линии, соединяющей заряды, при этом, одноименные заряды отталкиваются, а разноименные – притягиваются (рис. 26):

Рис. 26. Силы электростатического взаимодействия

Относительная диэлектрическая проницаемость – это число, которое показывает, во сколько раз сила взаимодействия между электрическими зарядами в вакууме больше, чем в данной среде:

. (49)