Билет #6

1. Абсолютная температура. Температура — мера средней кинетической энергии молекул. Связь между температурой и энергией, средняя квадратичная скорость (определение).

Температура есть мера средней кинетической энергии поступательного движения молекул. С понижением температуры скорость движения молекул и их кинетическая энергия уменьшаются, а с повышением температуры увеличиваются. Согласно представлениям молекулярно-кинетической теории, существует предел понижения температуры, который соответствует прекращению поступательного движения молекул. Температуру, при которой прекращается поступательное движение молекул, называют абсолютным нулем температуры.

Прекращение хаотического поступательного движения молекул при абсолютном нуле не означает полного прекращения любого движения. Даже при такой предельно низкой температуре не прекращается движение электронов в атомах вещества, а также происходят небольшие по амплитуде колебания молекул или атомов около узлов кристаллической решетки в твердых телах (так называемые нулевые колебания). Нулевым колебаниям соответствует нулевая энергия — наименьшая энергия, которой могут обладать молекулы вещества. Эта энергия не становится равной нулю даже при абсолютном нуле температуры.

Давление идеального газа на стенки сосуда, в котором он находится, обусловлено поступательным движением молекул газа. Следовательно, при абсолютном нуле температуры давление идеального газа при постоянном объеме должно стать равным нулю. В изохорном процессе давление идеального газа подчиняется закону Шарля: . Следовательно, t_x = - 273 °С.

Понятие температуры тесно связано с понятием теплового равновесия. Тела, находящиеся в контакте друг с другом, могут обмениваться энергией. Энергия, передаваемая одним телом другому при тепловом контакте, называется количеством теплоты.

Тепловое равновесие – это такое состояние системы тел, находящихся в тепловом контакте, при котором не происходит теплопередачи от одного тела к другому, и все макроскопические (t, P, V, Eвн) параметры тел остаются неизменными. Температура – это физический параметр, одинаковый для всех тел, находящихся в тепловом равновесии. Возможность введения понятия температуры следует из опыта и носит название нулевого закона термодинамики.

Для измерения температуры наиболее часто применяют термометры. Их действие основано на использовании зависимости объемного расширения веществ от температуры.

В государствах, принявших метрическую конвенцию, температуру измеряют по шкале Цельсия. Кельвин предложил абсолютную шкалу температур (ее называют термодинамической шкалой температур). В ней за начало отсчета температур принят абсолютный нуль температуры, а цена одного деления этой шкалы, равная 1 К (кельвин), такая же, как на шкале Цельсия (1К = 1°С).

Единица измерения температуры — кельвин является одной из семи основных единиц СИ. Кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды. (Тройной точкой воды называют температуру, при которой находятся в равновесии вода, лед и водяной пар. Тройная точка воды на 0,01 °С выше температуры плавления льда при нормальном атмосферном давлении, равном 101 325 Па). На шкале Кельвина любая температура положительна. Ее обозначают Т и называют термодинамической температурой (абсолютной температурой).

Постоянная Больцмана — физическая постоянная, определяющая связь между температурой и энергией. Её экспериментальное значение в системе СИ равно 8,31 Дж/К.

Универсальная газовая постоянная определяется как произведение постоянной Больцмана на число Авогадро, R = kNA. Газовая постоянная более удобна, когда число частиц задано в молях.

В однородном идеальном газе, находящемся при абсолютной температуре T, энергия, приходящаяся на каждую поступательную степень свободы, равна, как следует из распределения Максвелла, kT / 2. При комнатной температуре (300 К) эта энергия составляет 2,076*10-21 Дж. В одноатомном идеальном газе каждый атом обладает тремя степенями свободы, соответствующими трём пространственным осям, что означает, что на каждый атом приходится энергия в 3кТ\2 . В случае молекулярного газа ситуация усложняется, например, двухатомный газ имеет приблизительно пять степеней свободы, следовательно на каждый атом приходится энергия в 5кТ\2

Средняя квадратичная скорость молекул газа - среднее квадратичное значение модулей скоростей всех молекул рассматриваемого количества газа.

2. Откачивая rаз из сосуда (трубки), можно дойти до тa­кой ero концентрации, при которой молекулы rаза успева­ют пролететь от одной стенки сосуда к друrой, ни разу неиспытав соударений друr с друrом. Такое состояние rаза называют вакуумом.

Проводимость межэлектродноrо промежутка в вакууме можно обеспечить только с помощью тела, нагретого до высокой температуры, начинающего испускать электроны. Этот процесс называется термоэлектронноЙ эмиссией. У мноrих твердых веществ термоэлектрон­ная эмиссия начинается при температурах, при которых

испарение caMoro вещества еще не происходит. Такие вещества и используются для изrотовления катодов.

Явление термоэлектрон­ной эмиссии приводит К тому, что наrретый металличе­ский электрод, в отличие от холодноrо, непрерывно испу­скает электроны. Электроны образуют вокpyr электрода электронное облако. Электрод заряжается положительно, и под влиянием электрическоrо поля заряжрнноrо облака электроны из облака частично возвращаются на электрод.

В равновесном состоянии число электронов, покинув­ших электрод в секунду, равно числу электронов, возвра­

тившихся на электрод за это время. Чем выше температу­ра металла, тем выше плотность электронноrо облака.

Различие между температурами rорячих и холодных электродов, приводит К односторонней проводимости электриче­cкoro тока между ними.

На этом основан принцип работы электровакуумного диода.

­

­Если в аноде сделать отверстие, то часть электронов, ускоренных электрическим полем, про­летит в это отверстие, образуя за анодом электронный пу­чок. Количеством электронов в пучке можно управлять,

поместив между катодом и анодом дополнительный элект­род и изменяя ero потенциал.

Элект­ронный пучок, попадая на тела, вызывает их наrревание.

В современной технике это свойство используют для элек­тронной плавки в вакууме сверхчистых металлов.

При торможении быстрых электронов, попадающих на вещество, возникает рентгеновское излучение. Это

явление используют в рентrеновских трубках. Некоторые вещества ,бомбар­дируемые электронами, светятся.

Электронные пучки отклоня­ ются электрическим полем. Ha­ пример, проходя между пластинами конденсатора, электроны отклоня­ются от отрицательно заряженной пластины к положительно заряжен­ной. Электронный пучок отклоняет­ся также в маzнитном поле. Электронные потоки, идущие от Солнца, приводят к полярное сияние. Возможность управления элект­ронным пучком с помощью элект­рическоrо или маrнитноrо поля и свечение покрытоrо люминофором пучка применяют в электронно­лу­чевой трубке.

Электронно­лучевая трубка ­ основной элемент одноrо из типов телевизоров и осциллоrрафа ­ прибора для исследования быстропеременных процессов в электрических цепях.

Эта трубка - вакуумный баллон, одна из стенок KOToporo служит экраном. В узком конце трубки помещена электронная пушка. Она состоит из катода, управляющеrо электрода и анода. Электроны испускаются с нагретого катода, окруженноrо теплозащитным экраном. Далее они проходят через отверстие в цилинд­рическом управляющем электроде В (он реrулирует число электронов в пучке). Каждый анод – диск с отверстием. Между анодом и катодом создается большая разность потенциалов, которая создает сильное электрическое поле, ускоряя электроны. На пути к экрану пучок последовательно проходит меж­ду двумя парами управляющих пластин (отклоняют пучок).

В электронно­лучевой трубке, применяемой в телевизоре управление пучком, создан­ным электронной пушкой, осущест­вляется с помощью маrнитноrо поля. Это поле создают катушки, надетые на rорловину трубки.

Электронно­лучевые трубки нaxo­дят применение в дисплеях различных­ устройствах.