Билет #19

1. ­ В термодинамике любую группу тел или частиц называют термодинамической системой. Если на термодинамическую систему не действуют внешние силы, то она самопроизвольно переходит в состояние теплового равновесия — состояние, при котором все ее термодинамические параметры: давление, объем, температура с течением времени будут оставаться постоянными. При выводе термодинамической системы из равновесного состояния вследствие изменения одного или нескольких параметров она станет переходить через ряд промежуточных состояний, пока не перейдет в новое состояние с новыми параметрами, Такой переход называется термодинамическим процессом. Если термодинамическая система, претерпев ряд изменений, возвращается в исходное состояние с первоначальными параметрами, то такой процесс называется круговым (или замкнутым, или циклом). Самопроизвольным называется такой процесс, при котором в телах, окружающих термодинамическую систему, не происходит никаких изменений. Иными словами, самопроизвольный процесс - процесс, который протекает в термодинамической системе без внешнего воздействия. Обратимым называется процесс, который может самопроизвольно протекать как в прямом, так и в обратном направлениях. Термодинамические процессы, которые не могут протекать самопроизвольно как в прямом, так и в обратном направлениях, называются необратимыми (например, расширение газа).

Событие, вероятность которого равна нулю, невероятно, т. е. невозможно. Например, все молекулы газа сами никогда не смогут одновременно оказаться в одной половине сосуда, т. е. газ самопроизвольно сжаться не может. По той же причине тепло не может самопроизвольно перейти от холодного тела к горячему, такой процесс невероятен, хотя прямой переход тепла от горячего тела к холодному реален. При трении прямой процесс перехода механической энергии во внутреннюю возможен, а обратный нет.

Любые термодинамические процессы со статистически огромным количеством молекул и атомов могут самопроизвольно протекать только в одном направлении, т. е. они необратимы, поскольку вероятность обратного процесса равна нулю. Это утверждение называется вторым законом (вторым началом) термодинамики. Вот некоторые другие его формулировки.

Второй закон термодинамики:

а) любые самопроизвольные процессы в термодинамической системе, состоящей из статистически огромного числа частиц, всегда переводят эту систему из менее вероятного состояния в более вероятное и никогда наоборот;

б) невозможен самопроизвольный процесс передачи тепла от тел, менее нагретых, телам, более нагретым;

в) невозможно изготовить вечный двигатель второго рода - устройство, в котором бы все тепло, полученное от нагревателя, полностью превращалось бы в механическую работу.

2. Электроемкость - физическая величина, xapaKтеризующую способность двух проводников накапливать электрический заряд.Напряжение и между двумя проводниками пропорцио­нально электрическим зарядам, которые находятся на проводниках (на одном +1 q 1, а на друrом ­I q 1). Действи­тельно, если заряды удвоить, то напряженность электри­ческоrо поля станет в 2 раза больше, следовательно, в 2 раза увеличится и работа, совершаемая полем при пе­ремещении заряда, т. е. в 2 раза увеличится напряжение.

Поэтому отношение заряда q одноrо из проводников (на друrом находится такой же по модулю заряд) к разности потенциалов между этим проводником и соседним не зависит от заряда. Оно определяется геометрическими раз­мерами проводников, их формой И взаимным расположе­нием, а также электрическими свойствами окружающей среды.

Это позволяет ввести понятие электроемкости двух проводников. Электроемкостью двух проводников называют отношение заряда одноrо из проводников к разности потенциалов между ними:­С = q/U

­

­ Чем меньше напряжение и между проводниками при сообщении им зарядов +1 q 1 и ­I q 1, тем больше электроем­кость проводников. На проводниках можно накопить боль­шие заряды, не вызывая пробоя диэлектрика. Но сама электроемкость не зависит ни от сообщенных проводникам зарядов, ни от возникающеrо между ними напряжения.

Формула позволяет ввести единицу электроемкости.Электроемкость двух проводников численно равна единице. если при сообщении им зарядов +1 Кл и 1 Кл между ними возникает разность потенциалов 1 В. Эту единицу называют фарад (Ф); 1 Ф == 1 Кл/В.­Из­за Toro что заряд в 1 Кл очень велик, емкость 1 Ф оказывается очень большой. Поэтому на практике часто ис­пользуют доли этой единицы: микрофарад (мкФ) ­ 10^-6 Ф И пикофарад (пФ) ­ 10­^-12 Ф.

­

Большой электроемкостью обладают сис­темы из двух проводников, называемые конденсаторами.

Конденсатор представляет собой два проводника, разде­ленные слоем диэлектрика, толщина KOToporo мала по

сравнению с размерами проводников. Простейший плоский конденсатор состоит из двух оди­наковых параллельных пластин, находящихся на малом расстоянии друr от друrа. Если заряды плас­тин одинаковы по модулю и противоположны по знаку, то силовые линии электрическоrо поля начинаются на поло­жительно заряженной обкладке конденсатора и оканчива­ются на отрицательно заряженной. По­этому почти все электрическое поле сосредоточено внутри конденсатора и однородно.

Электрические поля окружающих тел почти не проникают внутрь конденсатора и не влияют на разность потенциалов между ero обкладками. Поэтому электроемкость конденсатора практически не зависит от наличия вблизи Hero каких­либо друrих тел.

Геометрия плос­кoro конденсатора полностью определяется площадью S ero пластин и расстоянием d между ними. От этих величин и должна зависеть емкость плоскоrо конденсатора. Чем больше площадь пластин, тем больший заряд мож­но на них накопить: q~ S. С друrой стороны, напряжение между пластинами пропорцио­нально расстоянию d между ними. Поэтому емкость­C= q/U~ S/d

­Кроме Toro, емкость конденсатора зависит от свойств диэлектрика между пластинами. Так как диэлектрик

ослабляет поле, то электроемкость при наличии диэлект­рика увеличивается. Для сравнения: в отсутствие диэлектрика между об­кладками плоскоrо конденсатора при электроемкости в 1 Ф и расстоянии между пластинами d = 1 мм он должен был бы иметь площадь пластин S == 100 км 2 .

В зависимости от назначения KOHденсаторы имеют различное устрой­ство. Обычный технический бумаж­ный конденсатор состоит из двух полосок алюминиевой фольrи, изо­лированных друr от друrа и от Me­таллическоrо корпуса бумажными лентами, пропитанными парафи­ном. Полоски и ленты Tyro CBepHY­ты в пакет небольшоrо размера.В радиотехнике широко при­меняют конденсаторы переменной электроемкости Такой

конденсатор состоит из двух систем металлических пластин, которые при вращении рукоятки MorYT BXO­дить одна в друrую. При этом меня­ются площади перекрывающихся частей пластин и, следовательно, их электроемкость. Диэлектриком в Ta­ких конденсаторах служит воздух. ­3начительноrо увеличения элек­

троемкости за счет уменьшения pac­стояния между обкладками дости­rают в так называемых электролитических конденсаторах. Диэлектриком в них служит очень тонкая пленка оксидов, покрывающих одну из обкладок. Друrой обкладкой служит бумаrа, пропитанная раствором специальноrо вещества (электролита).

Конденсаторы находят применение радиотехнике.

­

­Как и любая система заряженных тел, конденсатор обладает энерrией. Вычислить энерrию заряженноrо плоскoro конденсатора с однородным полем внутри Hero He­сложно.

Для Toro чтобы зарядить конденсатор, нужно совеРlllИТЬ работу по разделению положительных и отрицательных зарядов. Соrласно закону сохранения энерrии эта pa­бота равна энерrии конденсатора.

В том, что заряженный KOHдeHca­тор обладает энерrией, можно убедиться, если разрядить ero через

цепь, содержащую лампу накаливания, рассчитанную на напряже­ ние в несколько вольт (рис. 14.37).

При разрядке конденсатора лампа вспыхивает. Энерrия конденсатора превращается в тепло и энерrию света.

Выведем формулу для энерrии плоскоrо конденсатора.Напряженность поля, созданно­ro зарядом одной из пластин, равна E/2, rде Е ­ напряженность поля в конденсаторе. В однородном поле одной пластины находится заряд q, распределенный по по­верхности друrой пластины. Соrласно формуле для потенциальной энерrии заряда в однородном поле энерrия конденсатора равна: Wп = qEd/2, (14.24)

Так как Ed = U, rде U - разность потенциалов между обкладками конденсатора, то ero энерrия равна: Wп = qU/2.

­Эта энерrия равна работе, которую совершит электри­ ческое поле при сближении пластин вплотную.

Заменив в формуле разность потенциалов или заряд с помощью выражения для электроемкости

конденсатора, получим: Wп = qU/2 = q/2C = C*(U^2)/2

­