Билет № 8

Уравнение состояния идеального газа (уравнение Менделеева-Клапейрона) (без вывода). Изопроцессы.

Физические величины, однозначно определяющие со­стояние термодинамической системы, называются термодинамическими параметрами. К термодинамическим параметрам относятся: температура, объем, давление.

Термодинамические процессы, проходящие в газе с неизменным количеством вещества ( ν = const) при фиксированном значении одного из макропараметров (p,V, T), называются изопроцессами.

Между тремя основными параметрами состояния тела су­ществует связь, называемая уравнением состояния. Оно записывается в форме функциональной зависимости между р, V и Т: р = p(V, T). Это уравнение описывает только равно­весные состояния тела.

Уравнение состояния идеального газа для одного мо­ля имеет вид р V_μ = RT, где р, V_μ и Т —давление, моляр­ный объем и термодинамическая температура газа, a R — молярная (универсальная) газовая постоянная, числен­но равная работе, совершенной одним молем идеального газа при изобарном повышении температуры на один кельвин, R = 8,31 Дж/К.

Для произвольной массы М газа с молярной массой m уравнение состояния идеального газа примет вид

pV = М RT / m, это уравнение называют уравнением Менделеева—Клапейрона для произвольной массы газа.

1. Изотермическим называется термодинамический про­цесс, протекающий при неизменной температуре (Т = const).Изотермический процесс в идеальном газе подчиняется

за­кону Бойля-Мариотта: для данной массы газа при неиз­менной температуре произведение числовых значений давле­ния и объема есть величина постоянная: pV = const, при Т = const. На тер­модинамической диаграмме p-V изотермический процесс изо­бражается кривой, называемой изотермой.

2. Изохорным процессом называется термодинамический процесс, протекающий при постоянном объеме системы (V = const). Изохорный процесс в идеальном газе описывает­ся

законом Шарля: при постоянном объеме давление дан­ной массы газа прямо пропорционально его термодинамической температуре: р/ Т = const, при V= const.

3. Изобарным называется процесс, при котором давление сохраняется постоянным (р = const). Для изобарного процес­са в идеальном газе справедлив

закон Гей-Люссака: при по­стоянном давлении объем данной массы газа прямопропорционален его термодинамической температуре: V / Т = const, при р = const.

Для описания газовых законов значения температуры используются в Кельвинах. Для перевода температуры t по шкале Цельсия в температуру Т по шкале Кельвина следует пользоваться формулой Т= t + 273.

Графики изопроцессов на различных диаграммах можно изобразить так:

Билет № 9

Ядерные реакции. Энергетический выход ядерных реакций. Ядерный реактор. Ядерная энергетика и экологические проблемы.

В 1898 г. Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри открыли новые радиоактивные химические элементы — радий и полоний. Вскоре были открыты и другие радиоактивные элементы. Резерфорд и Содди выдвинули гипотезу, согласно которой радиоактивные излучения возникают при распаде атом­ных ядер. Исследования подтвердили их гипотезу. Ряд изотопов являются нестабильными. Они самопроизвольно распадаются с испусканием того или иного излучения.

Неустойчивыми являются как ядра, у которых протонов на­много больше, чем нейтронов, вследствие избытка энергии кулоновского взаимодействия, так и ядра, у которых число нейтронов намного больше числа протонов вследствие избы­точной массы нейтронов.

Многие нестабильные изотопы встречаются в природе. Их ра­диоактивность называется естественной радиоактивностью. Ядерными реакциями называют процессы изменения атомных ядер, вызванные их взаимодействиями с элементарными части­цами или друг с другом. В большинстве реакций участвуют два ядра и две частицы; первая пара ядро — частица называется исходной, а другая — конечной. Суммарный электрический за­ряд и число нуклонов в ходе реакции должны сохраняться. Символически ядерные реакции записываются в следующем виде: А + а→В + Ь.

Здесь А — исходное ядро, а — бомбардирующая частица, В — конечное ядро, b — испускаемая частица. Для протонов и ней­тронов в ядерной физике приняты соответственные символиче­ские обозначения: ₁¹р и ₀¹п. Для осуществления ядерной реакции под действием положительно заряженной частицы, необходимо, чтобы частица обладала кинетической энергией, достаточной для преодоления сил кулоновского отталкивания.

Исторически первой ядерной реакцией под действием α-частиц считается реакция, в результате которой в 1919 г. Резер фордом был открыт протон: ₇¹⁴N + ₂⁴He → ₈¹⁷O + ₁¹p

Нейтрон был открыт Чедвиком в 1932 г. в реакции радиоактивного превращения ядер бериллия в изотоп углерода при бомбардировке α-частицами ₄⁹Be + ₂⁴He → ₆¹²C + ₀¹n.

Ядерные реакции бывают двух типов: эндотермические (с по­глощением энергии); экзотермические (с выделением энергии).

Если сумма масс исходного ядра и частиц, вступающих в реакцию, больше суммы масс конечного ядра и испускаемых частиц, то энергия выделяется, и наоборот.

Рассчитаем выход некоторой ядерной реакции А+а→ В + b. Массовое число до реакции равно т_А + т_а, после реакции m_B+m_b. Разность энергий после и до реакции

ΔЕ = (m_B+m_b — т_А — т_а) с². Если эта величина меньше нуля, то энергия высвобождается. Энергия, высвобождающаяся при ядерной ре­акции, называется энергетическим выходом ядерной реакции. Энергетический выход может быть до сотен мегаэлектронвольт, что в миллионы раз превышает выход энергии при химических реакциях.

Ядерными реакторами называются устройства, в кото­рых осуществляются управляемые цепные ядерные реакции. Основные элементы ядерного реактора: ядерное горючее, за­медлитель и отражатель нейтронов, теплоноситель для от­вода тепла, образующегося в реакторе, регуляторы скорости развития цепной реакции деления.

Управление реактором осуществляется при помощи стерж­ней, содержащих кадмий или бор. При выдвинутых из актив­ной зоны реактора стержнях к > 1(к – коэффициент размножения нейтронов) , а при полностью вдвину­тых стержнях к < 1. Вдвигая стержни внутрь активной зоны, можно в любой момент времени приостановить развитие цеп­ной реакции. Управление ядерными реакторами осуществля­ется дистанционно с помощью ЭВМ. На рисунке приведена схема энергетической установки с ядерным реактором.

Эксплуатация атомных электростанций (АЭС) имеет как преимущества, так и недостатки, связанные с вредными воз­действиями на окружающую среду.

ПРЕИМУЩЕСТВА АЭС:

— ядерные реакторы не потребляют кислород и органиче­ское топливо;

— отсутствует загрязнение окружающей среды золой и другими вредными для человека продуктами сгорания орга­нического топлива;

— биосфера надежно защищена от радиоактивного воздей­ствия при нормальном режиме эксплуатации АЭС.

ОПАСНЫЕ ФАКТОРЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКРУЖА­ЮЩУЮ СРЕДУ:

— нарушение теплового баланса в окрестности АЭС;

— проблема захоронения радиоактивных отходов и демон­тажа отслуживших срок реакторов;

— радиоактивное загрязнение местности при аварийных выбросах;

— опасность экологических катастроф.

Всем известна Чернобыльская катастрофа, произошедшая на 4-м блоке Чернобыльской атомной станции в 1986 г. В результа­те нарушения технологических процессов произошел перегрев активной зоны. Последующий взрыв разрушил оболочку реакто­ра. Большое количество радиоактивных веществ было выброше­но в атмосферу. Кратковременному заражению (летучими короткоживущими изотопами) подверглись огромные терри­тории. Долговременное заражение сделало невозможными для проживания тысячи квадратных километров территории Беларуси, России и Украины, где выпали изотопы стронция, цезия (период полураспада порядка 30 лет!) и плутония (период полураспада — десятки тысяч лет).

Действие радиоактивных излучений на биологические объ­екты характеризуется поглощенной дозой излучения.

Поглощенной дозой излучения называется величина, равная отношению энергии ионизирующего излучения, пере­данной облученному веществу, к массе облученного вещества.

В СИ единицей поглощенной дозы излучения является грэй (Гр). Грей равен поглощенной дозе излучения, при ко­торой облученному веществу массой 1 кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж.

Внесистемной единицей поглощенной дозы является рад; 1 рад = Ю^-2 Гр.

Разные виды излучения обладают различными ионизаци­онными свойствами, поэтому даже при одной и той же по­глощенной дозе они оказывают не одинаковое поражающее действие на организм. Гамма- и бета- излучения поражают органическую ткань почти одинаково, а альфа-частицы — в 20 раз сильнее. Для каждого вида излучения можно устано­вить их относительную биологическую эффективность и при­писать каждому излучению коэффициент качества (Q).

Значения коэффициента Q для некоторых излучений: рент­геновское и гамма-излучение — 1; бета-частицы — 1; протоны и нейтроны с энергией меньше 10 МэВ — 10; альфа-частицы с энергией меньше 10 МэВ — 20.

Эквивалентной дозой излучения называется величи­на, равная поглощенной дозе излучения, умноженной на ко­эффициент качества Q. В СИ единицей эквивалентной дозы является зиверт (Зв). Зиверт равен эквивалентной дозе излу­чения, при которой поглощенная доза равна 1 Гр и коэффици­ент качества равен единице. Внесистемной единицей эквива­лентной дозы излучения является бэр (биологический экви­валент рентгена); 1 бэр = Ю^-2 Зв.

МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ ОТ ВНЕШНЕГО ОБЛУЧЕНИЯ:

— удаление от источников излучения на большое рассто­яние;

— ограничение времени пребывания на загрязненной мест­ности или вблизи радиоактивных источников;

— ограждение радиоактивных источников экранами из ма­териалов, эффективно поглощающих радиоактивные излуче­ния (свинец, графит, бор, кадмий и т.д.).

МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ ОТ ВНУТРЕННЕГО ОБЛУЧЕНИЯ-

- дозиметрический контроль продуктов питания;

- применение веществ, ослабляющих воздействие радиоактивных излучений на организм.