Основные понятия и показатели измерения. Пространство и время
Физика – естественная наука, которая изучает объективные свойства окружающего нас мира. Считается что мир материален и в нем нет ничего кроме движущейся материи. Материя существует в пространстве и времени. Пространство определяет взаимное расположение одновременно существующих объектов, относительно друг друга и их относительную величину. Время определяет последовательность явлений природы и их относительную продолжительность. Общие меры различных форм движения материи – является энергия.
Кинематика. Скорость и ускорение
Раздел механики, изучает движение тел, не рассматривая причины, которые это движение обуславливают. Скорость – векторная величина, характеризующая направление и быстроту перемещения материальной точки и численно равна м/с. В зависимости от скорости движение бывает равномерным и равнопеременным.
Ускорение – Векторная величина, характеризующая быстроту изменения скорости.
Мгновенная скорость; ускорение , составляющие ускорения, размерности. Равномерное, равноускоренное движение.
Мгновенная скорость: V=dS/dt
Среднее ускорение = delt V/delt t
Мгновенное ускорение: предел среднего ускорения a=lim = dv/dt
(ускорение векторная величина)
Равноускоренное движение — движение, при котором вектор ускорения остаётся неизменным по модулю и направлению. v(t) = v0 + at
Равноме́рное движе́ние — движение, при котором тело за любые равные отрезки времени проходит равные расстояния s = vt
Составляющие ускорения:
-тангенсальное
-нормальная;
Тангенсальное – ускорение которое направленно по касательной к точки траектории и определяет быстроту изменения скорости.
Нормальное – ускорение, характеризующие изменение скорости по направлению совпадает с нормалью от точки траектории к центру кривизны.
Вращательное движение по окружности; угловые кинематические характеристики, их связь с линейными.
Динамика. Первый закон Ньютона. Сила, равнодействующая сила (правило сложения), масса тела
Динамика – раздел механики посвященный изучению движения материальных тел под действием приложенных к ним сил
Первый закон ньютона: Всякое тело сохраняет состояние относительного покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока внешние воздействие не изменит это состояние
Сила- Векторная физическая величина, характеризующая действие одного тела на другое , благодаря чему возникает деформация и ускорение
Равнодействующая сила: При расчёте ускорения тела все действующие на него силы заменяют одной силой, называемой равнодействующей. Это геометрическая сумма всех сил, действующих на тело.
Масса тела – физическая величина, являющаяся одной из основных характеристик материи, определяющая ее инерциальные и гравитационные свойства.
Свойства:
Инертность – если на различные тела подействовать одинаковыми силами, то они будут двигаться по разному (различ. Ускорением); Тело которое движется с меньшим а более инертно, обладает большей массой;
Гравитация(тяготение) – любое тело притягивает и притягивается другими телами.
Динамика. Второй закон Ньютона. Формулировка через ускорение. Формулировка через количество движения
Второй закон – ускорение приобретенное материальной точкой (тела) в инерциальной системе отсчета пропорционально действующие на точку силы обратно пропорционально массе материальной точки и по направлению совпадает с силой. Формулировка через количество движения : Изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует. Или: В инерциальной системе отсчета скорость изменения импульса материальной точки равна равнодействующей всех приложенных к ней сил.
Динамика. Третий закон Ньютона
Силы, с которыми действуют друг на друга материальные точки, всегда равны по модулю, противоположно направлены и действуют вдоль прямой соединяющей эти тела
Импульс. Закон сохранения импульса.
И́мпульс — векторная физическая величина, характеризующая меру механического движения тела.
Изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силы и происходит по направлению прямой по которой эта сила действует
P = mv
F = ma = m * dv/dt = d(mv)/dt = dp/dt
P = (m1v1+ m2v2+ … + mnvn)
Зако́н сохране́ния и́мпульса утверждает, что векторная сумма импульсов всех тел (или частиц)замкнутой системы есть величина постоянная.
Виды сил. Сила трения.
Силы трения проявляются при перемещении соприкасающихся тел или их частей относительно друг друга. Различают внешнее(трение возникающие при относительном перемещении двух соприкасающихся тел) и внутреннее(трение между частями одного и того же тела) трение
Fтр = K Fn
K – коэффициент трения скольжения, зависит от природы соприкасаемых тел и является фкнкцией скорости. Fn – сила нормального давления
Виды сил. Упругие силы. Закон Гука.
Упругие силы возникают в результате взаимодействия тел, сопровождающегося деформацией. Упругая сила пропорциональна смещению частицы из положения равновесия Fупр = -kr
k – коэфицент упругости. r – радиус вектор, характерезующий смещение частиц
Закон Гука - сила упругости прямо пропорциональна деформации
 Здесь F сила натяжения стержня, Δl — его удлинение(сжатие), а k называется коэффициентом упругости (или жёсткостью). Минус в уравнении указывает на то, что сила натяжения всегда направлена в сторону, противоположную деформации.
Виды сил. Сила тяжести. Вес
(Гравитационная сила) – сила притяжении, которая подчиняется закону всемирного тяготения. сила тяжести – сила с которой тело притягивается землей
F = mg
Вес – сила, с которой тело притягиваясь к земле действует на опору или на натягиваемую нить подвеса. P=m(g-a)
Закон всемирного тяготения. Ускорение свободного падения.
сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы m1 и m2, разделёнными расстоянием R, пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними — то есть:
Здесь G — гравитационная постоянная, равная  м³/(кг с²).
Ускоре́ние свобо́дного паде́ния g — ускорение, придаваемое телу в вакууме силой тяжести, то есть геометрической суммой гравитационного притяжения планеты (или другого астрономического тела) и инерциальных сил, вызванных её вращением. 
Работа переменной силы. Мощность.
Работа – мера изменения энергии. A = FScosa
Мощьность – величина характеризующая скорость выполнения работы
N = F dS/dt [дж] N = FV
Кинетическая энергия
Ек = mv2/2
Кинетическая энергия– это энергия зависящая от скорости движения тел.
A = Ek2 – Ek1
Кинетическая энергия определяется работой которую можно совершить тело в следствие того что оно обладает определенной скоростью.
Потенциальная энергия
Потенциальная энергия – часть энергии механической системы, которая зависит от её конфигурации, т.е. от взаимного расположения частицы системы и их положением во внешнем силовом поле.
Консервативные силы – силы обладающие свойством: совершаемая работа зависит от начального и конечного положения тел и не зависит от пути.
Закон сохранения энергии
Ek1 + Ep1 = Ek2 + Ep2.
Для консервативных сил, в которых происходит преобразовании механической энергии в другие формы(нет трений) полная энергия системы остается величиной постоянной
Вращательное движение твердого тела. Момент инерции, теорема Штейнера
Моментом инерции системы (тела) относительно данной оси называется физическая величина, равная сумме произведений масс n материальных точек системы на квадраты их расстояний до рассматриваемой оси
 ,
Теорема Штейнера: момент инерции тела J относительно производной оси равен моменту его инерции Jc относительно параллельной оси, проходящей через центр масс C тела , сложенному с произведением массы m тела на квадрат расстояния a между осями: J = Jc +ma2
Момент силы. Уравнение динамики вращательного движения твердого тела
Моментом силы называется физическая велечина – определяемая векторным произведением радиуса вектора r? Проведенного из точки O в точку A приложения силы, на силу F
M=[rF]
Здесь M – псевдовектор, его направление совпадает с направление поступательного движения правого винта при его вращении от r к F
Уравнение динамики вращательного движения твердого тела
Работа внешних сил при вращении твердого тела. Кинетическая энергия вращающегося тела
Ек = mivi2/2 = miwi2ri2/2
Полная кинетическая энергия тел:
Ек = Jw2/2
Работа:
При вращении твердого тела его потенциальная энергия не изменяется, поэтому элементарная работа внешних сил идет на изменение кинетической энергии тела.
dA = Mdy(фи)
Момент импульса. Закон сохранения момента импульса
Момент импульса – векторная величина совпадающая по направлению с вектором угловой скорости.
L = [rp] = [r, mv]
Где r радиус-вектор p=mv импульс материальной точки L псевдовектор
Закон сохранения момента импульса — сумма моментов импульса всех тел сохраняется не изменной. Она связана с однократностью и изотропностью пространства.
Однократность – понимается равноправность всех точек пространства.
Изотропность – понимается равноправность всех направлений пространства.
Давление в неподвижных жидкостях и газах. Уравнение неразрывности
Физическая велечина, определяемая нормальной силой, действующей со стороны жидкости на еденицу площади, называется давлением p жидкости : 
Еденица давления паскаль
Гидростатическое давление
Поперечное сечение столба жидкости – S, высота h, плотность – ро, вес ро*gSh
Уравнение неразрывности S1v1 = S2v2 = const
Свойства жидкости в статике, законы Паскаля и Архимеда
Закон Паскаля: Давление, производимое на жидкость или газ, передается в любую точку жидкости или газа одинаково по всем направлениям.
Закон Архимеда: на тело, погружённое[1] в жидкость (или газ), действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной этим телом жидкости (называемая силой Архимеда)
FA = ρgV,
где ρ — плотность жидкости (газа), g — ускорение свободного падения, а V — объём погружённого тела
Механика жидкостей и газов. Уравнение Бернулли.
Закон Бернулли является следствием закона сохранения энергии для стационарного
потока идеальной (то есть без внутреннего трения) несжимаемой жидкос
 — плотность жидкости,
 — скорость потока,
 — высота, на которой находится рассматриваемый элемент жидкости,
 — давление в точке пространства, где расположен центр массы рассматриваемого элемента жидкости,
 — ускорение свободного падения.
Следствия уравнения Бернулли. Формула Торричели
при уменьшении сечения потока, из-за возрастания скорости, то есть динамического давления, статическое давление падает.
Формула Торричели: формула для скорости истечения жидкости из отверстия в открытом сосуде:  ,где h — высота уровня жидкости, отсчитываемая от центра отверстия, g — ускорение силы тяжести
Свойства жидкостей. Поверхностное натяжение. Вязкость.
Свойства:
-Текучесть
Сохранение объёма
Вязкость
Образование свободной поверхности и поверхностное натяжение
Испарение и конденсация
Кипение
Смачивание
Смешиваемость
Диффузия
Перегрев и переохлаждение
Волны плотности
Волны на поверхности
Сосуществование с другими фазами
Вязкость (внутреннее трение) — одно из явлений переноса, свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой.  , где  - динамическая вязкость
Поверхностное натяжение может быть объяснено притяжением между молекулами жидкости. Каждая молекула притягивает другие молекулы, стремится «окружить» себя ими, а значит, уйти с поверхности. Соответственно, поверхность стремится уменьшиться.
Смачивание. Капиллярные явления.
Смачивание — это поверхностное явление, заключающееся во
взаимодействии жидкости с поверхностью твёрдого тела или другой жидкости
Капиллярность капиллярный эффект — физическое явление, заключающееся в способности жидкостей изменять уровень в трубках, узких каналах произвольной формы, пористых телах. Поднятие жидкости происходит в случаях смачивания каналов жидкостями, например воды в стеклянных трубках, песке, грунте и т. п.
Молекулярно-кинетическая теория. Основные положения. Размеры молекул.
Молекулярное взаимодействие.Молекулярно-кинетическая теория (сокращённо МКТ) — теория XIX века, рассматривавшая строение вещества, в основном газов, с точки зрения трёх основных приближенно верных положений:
все тела состоят из частиц, размером которых можно пренебречь: атомов, молекул и ионов;
частицы находятся в непрерывном хаотическом движении (тепловом);
частицы взаимодействуют друг с другом путём абсолютно упругих столкновений.
 , где k является постоянной Больцмана (отношение Универсальной газовой постоянной R к числу Авогадро NA), а 3 - число степеней свободы молекул.
Основные положения:
Все тела состоят из мельчайших частиц атомов, молекул, состав которых входят еще более мелкие элементарные частицы;
Атомы и молекулы всегда находятся в непрерывном хаотическом движении, которое называют тепловым;
Между частицами любого вещества существуют силы взаимодействия: притяжений и отталкивание – природа этих сил электромагнитна.
Параметры состояния идеального газа. Давление. Температура.
Идеальным принято считать газ, если: а) между молекулами отсутствуют силы притяжения, т. е. молекулы ведут себя как абсолютно упругие тела; б) газ очень, разрежен, т. е. расстояние между молекулами намного больше размеров самих молекул; в) тепловое равновесие по всему объему достигается мгновенно.
Давле́ние (P) — физическая величина, равная силе F, действующей на единицу площади поверхности S перпендикулярно этой поверхности.
Температура — скалярная физическая величина, описывающая состояние термодинамического равновесия
Закон Авогадро; физический смысл постоянной Авогадро
Закон Авога́дро — одно из важных основных положений химии, гласящее, что «в равных объёмах различных газов, взятых при одинаковых температуре и давлении, содержится одно и то же число молекул».
В частности, при нормальных условиях, т.е. при 0° С (273К) и 101,3 кПа, объём 1 моля газа, равен 22,4 л/моль. Этот объём называют молярным объёмом газа Vm. Пересчитать эту величину на другие температуру и давление можно с помощью уравнения Менделеева-Клапейрона:
Основное уравнение молекулярно-кинетической теории
Следствия:
P = nkT
Уравнение состояния идеального газа
 ,
Изотермический процесс
Изотермический процесс — термодинамический процесс, происходящий в физической системе при постоянной температуре.
закон Бойля — Мариотта:
При постоянной температуре и неизменных значениях массы газа и его молярной массы, произведение объёма газа на его давление остаётся постоянным: PV = const.
Изобарный Процесс
Изобарный процесс - термодинамический процесс, происходящий в системе при постоянном давлении.
Закон Гей-Люссака: При постоянном давлении и неизменных значениях массы газа и его молярной массы, отношение объёма газа к его абсолютной температуре остаётся постоянным: V/T = const.
Изохорный Процесс
Изохорический или изохорный процесс — это термодинамический процесс, который происходит при постоянном объёме.
закон Шарля: для данной массы газа при постоянном объёме, давление прямо пропорционально температуре:
Адиабатный процесс
Адиабатический процесс — термодинамический процесс в макроскопической системе, при котором система не получает и не отдаёт тепловой энергии.
Адиабатический процесс для идеального газа описывается уравнением Пуассона
Закон Максвелла о распределении молекул по скоростям и энергиям. Опыт Штерна
Явление переноса в газах. Диффузия
Диффузия — процесс переноса материи или энергии из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией (против градиента концентрации)
З-н Фика:
Теплопроводность
Теплопроводность — это перенос теплоты структурными частицами вещества (молекулами, атомами, электронами) в процессе их теплового движения где P — полная мощность тепловых потерь, S — площадь сечения параллелепипеда, ΔT — перепад температур граней, h — длина параллелепипеда, то есть расстояние между гранями.Коэффициент теплопроводности измеряется в Вт/(м·K).
З-н Фурье:
Вязкость газов
Вя́зкость (вну́треннее тре́ние) — одно из явлений переноса, свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой.
 ,где  — средняя скорость теплового движения молекул,  − средняя длина свободного пробега.
Внутренняя энергия идеального газа. Закон равномерного распределения по степеням свободы молекул.
Вну́тренняя эне́ргия тела (обозначается как E или U) — это сумма энергий молекулярных взаимодействий и тепловых движений молекулы.
 ,где ν — количество вещества, ΔT — изменение температуры.
Закон Больцмана о равномерном распределении энергии по степеням свободы молекул: для статистической системы, которая находится в состоянии термодинамического равновесия, на каждую поступательную и вращательную степени свободы приходится в среднем кинетическая энергия, равная kT/2, а на каждую колебательную степень свободы — в среднем энергия, равная kT.
Работа и теплота как форма передачи энергии
Внутреннюю энергию системы можно изменить 2 спосабами:
При сжатии газа его внутренняя энергия увеличивается за счет совершаемой поршнем мханической работы. При расштрении газа, его внутренняя энергия уменьшается превращается в механическую энергию движущегося поршня
Путем теплообмена: В результате теплообмена температура одного тела уменьшается а другого увеличивается, т.е. тела переходят в состояние равновесия.
 .
Изменение внутренней энергии тела. Теплообмен.
Изменение внутренней энергии при переходе из одного состояния в другое будет всегда равно разности между ее значениями в конечном и начальном состояниях, независимо от пути, по которому совершался переход.
Внутреннюю энергию тела нельзя измерить напрямую. Можно определить только изменение внутренней энергии:
Процесс прередачи внутренней энергии без совершения механической работы – теплообменом.
Работа газа при изменении объема
Газ оказывает давление на любую стенку сосуда. Если стенка подвижна (например, поршень на рис. 1), то сила давления F совершит работу A, переместив поршень на расстояние L.
Если L невелико, то давление газа останется примерно постоянным. Тогда работа будет равна:
A = F·L·cos= P·S·L,
где S - площадь поршня,
- угол между направлением силы и перемещением поршня (= 0).
Произведение S·L равно изменению объема газа V от начального V1 до конечного V2значения, т.е. S·L =V = V1 - V2. Тогда
A = P·(V2 - V1) = P·V.
Количество теплоты. Теплоемкость
Количество теплоты́ — энергия, которую получает или теряет тело при теплопередаче. Количество теплоты является одной из основных термодинамических величин.
Теплоёмкость тела (обычно обозначается латинской буквой C) — физическая величина, определяющая отношение бесконечно малого количества теплоты δQ, полученного телом, к соответствующему приращению его температуры δT:
Единица измерения теплоёмкости в системе СИ — Дж/К.
Первое начало термодинамики
Первое начало термодинамики — один из трёх основных законов термодинамики, представляет собой закон сохранения энергии для термодинамических систем.
Изменение внутренней энергии тела равно разности сообщенного телу количества теплоты и работы произведенной над ним.
Применение первого начала термодинамики для изо-процессов.
Первое начало термодинамики:
при изобарном процессе
при изохорном процессе (A = 0)
при изотермическом процессе (ΔU = 0)
Здесь  — масса газа,  — молярная масса газа,  — молярная теплоёмкость при постоянном объёме,  — давление, объём и температура газа соответственно, причём последнее равенство верно только для идеального газа.
Круговой процесс (цикл), работа при круговом процессе, кпд
Круговым процессом (или циклом) называется процесс, при котором система, проходя через ряд состояний, возвращается в первоначальное.
КПД:
Поэтому первое начало термодинамики для кругового процесса
 (1)
т. е. работа, которая совершается за цикл, равна количеству теплоты, полученной извне. Однако в результате кругового процесса система может теплоту как получать, так и отдавать, поэтому
где Q1 — количество теплоты, которая получила система, Q2 — количество теплоты, которое отдала система. Поэтому термический коэффициент полезного действия для кругового процесса
 (2)
Термодинамический процесс называется обратимым, если он может осуществляться как в прямом, так и в обратном направлении, причем если такой процесс осуществляется сначала в прямом, а затем в обратном направлении и система возвращается в первоначальное состояние, то в окружающей среда и в этой системе не происходит никаких изменений. Всякий процесс, не удовлетворяющий этим условиям, является необратимым.
Цикл Карно
Цикл Карно́ — идеальный термодинамический цикл. Тепловая машина Карно, работающая по этому циклу, обладает максимальным КПД из всех машин, у которых максимальная и минимальная температуры осуществляемого цикла совпадают соответственно с максимальной и минимальной температурами цикла Карно. Состоит из 2 адиабатических и 2 изотермических процессов.
Пусть тепловая машина состоит из нагревателя с температурой TH, холодильника с температурой TX и рабочего тела.
Цикл Карно состоит из четырёх стадий:
Изотермическое расширение (на рисунке — процесс A→Б). В начале процесса рабочее тело имеет температуру TH, то есть температуру нагревателя. Затем тело приводится в контакт с нагревателем, который изотермически (при постоянной температуре) передаёт ему количество теплоты QH. При этом объём рабочего тела увеличивается.
Адиабатическое (изоэнтропическое) расширение (на рисунке — процесс Б→В). Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура уменьшается до температуры холодильника.
Изотермическое сжатие (на рисунке — процесс В→Г). Рабочее тело, имеющее к тому времени температуру TX, приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься, отдавая холодильнику количество теплоты QX.
Адиабатическое (изоэнтропическое) сжатие (на рисунке — процесс Г→А). Рабочее тело отсоединяется от холодильника и сжимается без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя.
При изотермических процессах температура остаётся постоянной, при адиабатических отсутствует теплообмен, а значит, сохраняется энтропия:
 при δQ = 0.
Поэтому цикл Карно удобно представить в координатах T и S (температура и энтропия).
Второе начало термодинамики
Второе начало термодинамики — определяет направление процессов происходящих в природе и связанных с превращением энергии .
Второе начало термодинамики гласит, что невозможен самопроизвольный переход тепла от тела, менее нагретого, к телу, более нагретому.
Второе начало термодинамики запрещает так называемые вечные двигатели второго рода, показывая что коэффициент полезного действия не может равняться единице, поскольку для кругового процесса температура холодильника не может равняться абсолютному нулю.
Энтропия
Энтропи́я в естественных науках — мера беспорядка
системы, состоящей из многих элементов. В частности, в статистической физике
мера вероятности
осуществления какого-либо макроскопического состояния
 ,
где dS - приращение энтропии; δQ - минимальная теплота подведенная к системе;
T – абсолютная
температура процесса;
Реальные газы. Уравнение Ван-дер-Ваальса
Реальный газ — газ, который не описывается уравнением состояния идеального
газа Клапейрона —Менделеева.
Зависимости между его параметрами показывают, что молекулы в реальном газе
взаимодействуют
между собой и занимают определенный объем. Состояние реального газа часто на
практике
описывается обобщенным уравнением Менделеева — Клапейрона:
где p — давление; T — температура; Zr = Zr (p,T) — коэффициент сжимаемости газа;
m - масса; М —
молярная масса; R — газовая постоянная.
Уравнение состояния газа Ван-дер-Ваальса — уравнение, связывающее основные термодинамические величины в модели газа Ван-дер-Ваальса.
Для ν молей газа Ван-дер-Ваальса уравнение состояния выглядит так:
Влажность воздуха и его измерение
Влажность воздуха — это величина, характеризующая содержание водяных паров в атмосфере Земли
Абсолютная влажность воздуха (f) — это количество водяного пара, фактически содержащегося в 1 м³ воздуха. Определяется как отношение массы содержащегося в воздухе водяного пара к объёму влажного воздуха.Обычно используемая единица абсолютной влажности — грамм на метр кубический, г/м³ Относительная влажность воздуха (φ) — это отношение его текущей абсолютной влажности к максимальной абсолютной влажности при данной температуре. Она также определяется как отношение парциального давления водяного пара в газе к равновесному давлению насыщенного пара.
|
Скачать 256.5 Kb.