Билет #15

1. Изменить внутреннюю энерrию rаза в цилиндре мож­но совершая работу или наrревая rаз.

Если закрепить поршень, то объем rаза при наrревании не меняется и работа не совершается. Но TeMпература rаза, а следовательно, и ero внутренняя энерrия возрастают.

Процесс передачи энерrии от одноrо тела к друrому без совершения работы называют теплообменом или тепло­передачей. Количественную меру изменения внутренней энерrии при теплообмене называют количеством теплоты. Количе­твом теплоты называют также энерrию, которую тело отдает в процессе теплообмена. При теплообмене не происходит превра­щения энерrии из одной формы в друrую: часть внутренней энерrии горячеrо тела пе­редается холодному телу.

­

Для наrревания тела массой т от температуры t I до температуры t 2 необходимо передать ему количество теплоты: Q = Cm(t2-t1). При остывании тела ero количество теплоты, отдаваемое телом, отрицательно. Коэффициент С называют уделыюй теплоемкостью вещества. Удельная теплоемкость - величина, численно равная количеству теплоты, которое получает/отдает вещество массой 1 Kr при изменении его температуры на 1 К.

Для превращения жидкости в пар в процессе кипения необходима передача ей определенноrо количества теплоты. Температура жид­кости при кипении не меняется. Превращение жидкости в пар при постоянноЙ температуре не ведет к увеличению кинетической энерrии молекул, но сопровождается увели­чением потенциальной энерrии их взаимодействия. Ведь среднее расстояние между молекулами rаза MHoro больше,

чем между молекулами жидкости. Величину, численно равную количеству теплоты, необ­ходимому для превращения при постоянной температуре жидкости массой 1 Kr в пар, называют удельной теплотой

парообразования. Эту величину обозначают буквой r и выражают в джоулях на килоrрамм (Дж/кr).

Очень велика удельная теплота парообразования воды: r H20 = 2,3*10^6 Дж/кr при температуре 100 С

Для превращения жидкости массой m в пар требуется количество теплоты, равное: Qп = rm. (13.6). Столько-же выделится при конденсации пара.

Удельная теплота плавления. При плавлении кристал­лическоrо тела вся подводимая к нему теплота идет на

увеличение потенциальной энерrии молекул. Кинетиче­ская энерrия молекул не меняется, так как плавление

происходит при постоянной температуре.

Величину, численно равную количестну теплоты, необ­ходимому для превращения кристаллическоrо вещества

массой 1 Kr при температуре плавления в жидкость, Ha­зывают удельной теплотой плавления л. При кристаллизации вещества массой 1 Kr выделяется точно такое же количество теплоты, какое поrлощается

при плавлении.

Для Toro чтобы расплавить кристаллическое тело Macсой т, необходимо количество теплоты, равное: Qпл == лт.

При кристализации выделяется то-же кол-во теплоты.

­

При изобарном процессе количество теплоты, сообщаемое газу, расходуется как на его нагревание (т. е. на увеличение внутренней энергии), так и на работу расширения, которую газ совершает против сил внешнего давления. Поэтому первый закон термодинамики для изобарного процесса записывают в виде Q=A+U.

При изобарном нагревании газа на дT его объем увеличивается на дV. Работа газа при изобарном расширении может быть найдена как . В любом другом процессе работа газа может быть найдена как площадь под графиком процесса в РV координатах. Из формулы для работы газа следует, что газовая постоянная численно равна работе которую совершает 1 моль идеального газа при изобарном нагревании на 1 К.

В результате для изобарного процесса можно записать:

.

Отсюда следует, что молярная теплоемкость газа при постоянном давлении: .

2. Изохорный процесс. Теорема Майера

Так как в данном процессе объем газа не изменяется, то V= 0, т.е. А = 0 - в изохорном процессе газ не совершает работы. Первый закон термодинамики принимает вид: Q = U - в изохорном процессе вся сообщаемая газу теплота идет на увеличение его внутренней энергии.

Для изохорного процесса можно записать:

.

Отсюда следует, что молярная теплоемкость газа при постоянном объеме: .

Теплоемкость газа зависит от вида процесса - теорема Майера : молярная теплоемкость идеального газа при постоянном давлении равна сумме молярной теплоемкости этого газа при постоянном объеме и молярной газовой постоянной.

Молярная теплоемкость идеального газа при постоянном давлении зависит только от числа степеней свободы молекул, которое в свою очередь зависит от числа атомов в этих молекулах.

2. Для существования тока в проводнике необходимо создать разность потенциалов на егo концах. Сила тока в проводнике определяется этой разно­стью потенциалов.

Для каждого проводника ­ твердого, жидкого и газообразного­ существует определенная зависимость силы тока

от приложенной разности потенциалов на концах проводника. Эту зависимость выражает так называемая вольт­

амперная характеристика проводника. Ее находят, изме­ряя силу тока в проводнике при различных значениях Ha­

пряжения. Знание вольт­амперной характеристики играет большую роль при изучении электрического тока.

Наиболее простой вид имеет вольт­амперная характеристика металлических проводников и растворов электролитов. Впервые (для метал­лов) ее установил немецкий ученый Георг Ом.

Закоn Ома для участка цепи: Сила тока на участке цепи прямо nponopциoнальnа nриложеnnому к нему наnряжеnию и и об­ратно nроnорциональна соnротивлеnию этого уча­стка: I = U/R

­

­Закон Ома имеет очень простую форму, но доказать экспериментально ero справедливость довольно трудно.

Дело в том, что разность потенциалов на участке металлическоrо проводника даже при большой силе тока мала, так как мало сопротивление проводника.

Обычный электрометр неприrоден для измерения столь малых напряжений: ero чувствительность слишком мала.

Нужен несравненно более чувствительный прибор. Вот тоrда, измеряя силу тока амперметром, а напряжение чув­ствительным электрометром, можно убедиться в том, что сила тока прямо пропорциональна напряжению.

Применение обычных приборов для измерения напря­жения ­ вольтметров ­ основано на использовании закона Ома. Принцип устройства вольтметра такой же, как у амперметра. Уrол поворота стрелки прибора пропорционален силе тока. Сила тока, проходящеrо по вольтметру, определяется напряжением между точками цепи, к которой он подключен. Поэтому, зная сопротивление вольтмет­ра, можно по силе тока определить напряжение. На прак­тике прибор rрадуируют так, чтобы он сразу показывал напряжение в вольтах.

Основная электрическая характеристика проводника ­ сопротивление. От этой величины зависит сила тока в проводнике при заданном напряжении. Сопротивление проводника представляет собой как бы меру противодействия проводника направленному движению электрических зарядов. С помощью закона Ома

можно определить сопротивление проводника: R = U/I. Сопротивление зависит от материала проводника и ero

rеометрических размеров. Сопротивление проводника длиной l с постоянной площадью поперечноrо сечения S

равно: R = ρl/S, rде ρ­ величина, зависящая от рода вещества и ero co­стояния (от температуры в первую очередь). Величину р называют удельным сопротивлением проводника. Удель­ное сопротивление материала численно равно coпpoтив­лению проводника из этого материала длиноu 1 м и пло­щадью поперечного сечения 1 м^2.

Единицу сопротивления проводника устанавливают на основе закона Ома и называют ее омом. Проводник имеет сопротивление 1 Ом, если при разности потенциалов 1 В сила тока в нем 1 А. Единицей удельноrо сопротивления является 1 Ом*м.

К наиболее простым и часто встречающимся соединени­ям проводников относятся последовательное и параллель­ное соединения.

При последователь­ном соединении все провод­ники включают в цепь поочередно друr за друrом. Сила тока во всех проводниках одинакова, т. е. так как в проводниках электрический заряд не накапливается и через любое поперечное сечение проводника за определенное время проходит один и тот же заряд.

Напряжение на концах рассматриваемоrо участка цепи складывается из напряжений на элементах цепи: U = U₁+ U₂ + … + U_N.

­ Полное сопротивление вcero участка цепи при последовательном соединении равно: R = R_I + R₂

Это правило можно применить для любоrо числа последовательно соединенных проводников.

Напряжения на проводниках и их сопротивления при последовательном

соединении связаны соотношением U1/U2=R1/R2.

­

­При параллельном соединении провод­ников заряд, поступающий в единицу времени в узел, равен заря­

ду, уходящему из узла за это же время. Следовательно I = I1 +I2

Напряжение и на концах проводников, соединенных параллельно, одинаково, так как они присоединены к oд­

ним и тем же точкам цепи.

Применяя закон Ома для Bcero участка в целом и для участков сопротивлениями проводников R 1 и R2' можно

доказать, что величина, обратная полному сопротивлению участка, равна сумме величин, обратных сопротивле­

ниям отдельных проводников: 1/R = 1/R1 + 1/R2. Отсюда следует, что R= (R1 + R2)/R1R2

­

Напряжения на параллельно соединенных проводниках равны: I1R1=I2R2. Следовательно I1/I2=R1/R2.

БИЛЕТ #16

1. Процесс перехода вещества из жидкого или твердого состояния в газообразное, происходящий путем вылета молекул из этого вещества, называют парообразованием. Совокупность молекул, вылетевших из вещества, называют паром этого вещества. При определенных условиях наблюдают и обратный процесс — переход газообразного вещества в жидкое состояние. Этот процесс называют конденсацией. Парообразование, происходящее с открытой поверхности вещества при любой температуре, называют испарением. Испарение кристаллических веществ называют сублимацией или возгонкой.

Экспериментально установлены следующие закономерности испарения: а) при одинаковых условиях различные вещества испаряются с различной скоростью (скорость испарения определяется числом молекул, переходящих в пар с 1 м² поверхности вещества за 1 с); б) чем больше площадь испаряющей - поверхности, тем быстрее происходит испарение; в) скорость испарения зависит от плотности паров над открытой поверхностью жидкости (или кристалла); испарение усиливается при движении окружающего воздуха; г) чем выше температура тела, тем быстрее происходит испарение; д) при испарении температура тела понижается; е) испарение продолжается до тех пор, пока все вещество не испарится.

Молекулярно-кинетическая теория объясняет явление испарения так. Молекулы (или атомы), находящиеся на поверхности жидкости (или кристалла), удерживаются силами притяжения со стороны других молекул (или атомов) вещества. Молекула или атом могут вылететь за пределы вещества лишь тогда, когда их кинетическая энергия превышает значение той работы, которую необходимо совершить, чтобы преодолеть силы молекулярного притяжения (работу выхода). Поэтому покинуть вещество могут только быстрые молекулы, обладающие необходимой кинетической энергией. Температура тела определяется средней кинетической энергией составляющих его молекул, поэтому, если быстрые молекулы покинут тело, его температура понизится. Разная скорость испарения из разных веществ объясняется тем, что для каждого вещества существует своя работа выхода молекул. При нагревании вещества испарение возрастает, потому что увеличивается кинетическая энергия молекул.

Если некоторое количество жидкости находится при постоянной температуре в закрытом сосуде, то часть жидкости превращается в пар, а в дальнейшем количество ж идкости остается неизменным. Объясняется это тем, что одновременно с процессом парообразования происходит и обратный процесс — конденсация. Сначала число молекул, вылетающих из жидкости за 1 с, больше числа молекул, возвращающихся в жидкость за это же время, поэтому плотность пара над поверхностью жидкости в сосуде возрастает. Это приводит к увеличению числа молекул, возвращающихся обратно в жидкость. Через некоторое время из жидкости начинает вылетать столько же молекул, сколько возвращается в нее. Между паром и жидкостью устанавливается динамическое равновесие, при котором плотность пара над жидкостью становится постоянной. Пар, находящийся в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью, называют насыщенным. Давление р_н насыщенного пара зависит только от вещества, из которого он состоит, и от температуры, но не зависит от объема свободной от жидкости части сосуда, в котором находится пар. Независимость давления насыщенного пара от объема объясняется тем, что при уменьшении объема усиливается процесс конденсации пара, а при увеличении объема — процесс испарения жидкости, так что динамическое равновесие между жидкостью и ее насыщенным паром все время сохраняется (пока весь пар не конденсируется или вся жидкость не испарится). Для насыщенного пара величиной, не зависящей от объема (при постоянной температуре), является также его плотность.

С увеличением температуры давление насыщенного пара быстро возрастает. С ростом температуры давление насыщенного пара увеличивается гораздо быстрее, чем давление идеального газа. Происходит это потому, что давление насыщенного пара возрастает не только из-за роста температуры, но и вследствие увеличения плотности пара, вызванного повышением его концентрации (т.е. увеличением числа молекул пара в 1 м³). Давление насыщенного пара может быть приближенно определено по формуле р = nkT, где n — концентрация молекул, k — постоянная Больцмана, Т — термодинамическая температура.

Если в большом объеме находится небольшое количество жидкости, то процесс парообразования преобладает над процессом конденсации. Динамическое равновесие между паром и жидкостью не устанавливается и жидкость с течением времени полностью превращается в пар. Пар, не находящийся в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью, называют ненасыщенным Давление и плотность ненасыщенного пара зависят от вещества, из которого состоит пар, от температуры, а также от объема, в котором пар находится. При данной температуре давление ненасыщенного пара всегда меньше давления насыщенного пара. Следовательно, наибольшее давление при данной температуре пар производит, находясь в состоянии насыщения.

2. Электролитами принято называть проводящие среды, в которых протекание электрического тока сопровождается переносом вещества. Носителями свободных зарядов в электролитах являются положительно и отрицательно заряженные ионы. К электролитам относятся многие соединения металлов с металлоидами в расплавленном состоянии, а также некоторые твердые вещества. Однако основными представителями электролитов, широко используемыми в технике, являются водные растворы неорганических кислот, солей и оснований.

Прохождение электрического тока через электролит сопровождается выделением веществ на электродах. Это явление получило название электролиза. Электрический ток в электролитах представляет собой перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях. Положительные ионы движутся к отрицательному электроду (катоду), отрицательные ионы – к положительному электроду (аноду). Ионы обоих знаков появляются в водных растворах солей, кислот и щелочей в результате расщепления части нейтральных молекул. Это явление называется электролитической диссоциацией. Например, хлорид меди CuCl2 диссоциирует в водном растворе на ионы меди и хлора:

При подключении электродов к источнику тока ионы под действием электрического поля начинают упорядоченное движение: положительные ионы меди движутся к катоду, а отрицательно заряженные ионы хлора – к аноду. Достигнув катода, ионы меди нейтрализуются избыточными электронами катода и превращаются в нейтральные атомы, оседающие на катоде. Ионы хлора, достигнув анода, отдают но одному электрону.

После этого нейтральные атомы хлора соединяются попарно и образуют молекулы хлора Cl2. Хлор выделяется на аноде в виде пузырьков. Во многих случаях электролиз сопровождается вторичными реакциями продуктов разложения, выделяющихся на электродах, с материалом электродов или растворителей. Примером может служить электролиз раствора сульфата меди CuSO4 (медный купорос) в том случае, когда электроды, опущенные в электролит, изготовлены из меди.

Нейтральные атомы меди отлагаются в виде твердого осадка на катоде. Таким путем можно получить химически чистую медь. Ион отдает аноду два электрона и превращается в нейтральный радикал SO4 вступает во вторичную реакцию с медным анодом:SO4 + Cu = CuSO4.

Образовавшаяся молекула сульфата меди переходит в раствор. Таким образом, при прохождении электрического тока через водный раствор сульфата меди происходит растворение медного анода и отложение меди на катоде. Концентрация раствора сульфата меди при этом не изменяется.

Закон электролиза был экспериментально установлен английским физиком М. Фарадеем в 1833 году. Закон Фарадея определяет количества первичных продуктов, выделяющихся на электродах при электролизе: Масса m вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду Q, прошедшему через электролит:m = kQ = kIt. Величину k называют электрохимическим эквивалентом.

Масса выделившегося на электроде вещества равна массе всех ионов, пришедших к электроду: m=m₀N=m₀(Q/q₀)=(m₀/q₀)It. Здесь m0 и q0 – масса и заряд одного иона, N=Q/q₀ – число ионов, пришедших к электроду при прохождении через электролит заряда Q. Таким образом, электрохимический эквивалент k равен отношению массы m0 иона данного вещества к его заряду q0. Так как заряд иона равен произведению валентности вещества n на элементарный заряд e (q₀ = ne), то выражение для электрохимического эквивалента k можно записать в виде: k=m₀/ne=M/N_Ane=M/nF. Здесь NA – постоянная Авогадро, M = m0NA – молярная масса вещества, F = eNA – постоянная Фарадея. F = eNA = 96485 Кл / моль.

Постоянная Фарадея численно равна заряду, который необходимо пропустить через электролит для выделения на электроде одного моля одновалентного вещества.

Закон Фарадея для электролиза приобретает вид: m = MIt/nF.

Явление электролиза широко применяется в современном промышленном производстве.