ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.

Отёска стен и прирубка косяков - Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.

Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) - В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

Движение и взаимодействие тел

Лекция 2. Рабочее тело и система тел.

Термодинамика разрабатывает теорию и методы расчета тепловых машин. Она исследует термодинамические процессы, протекающие в тепловых машинах, с целью обеспечения наиболее экономичной их работы.

Для исследования в данном пособии используются два простейших термодинамических метода:

- метод геометрических построений кривых, характеризующих процесс, изложенный впервые в работах Б. Клапейрона (1834 г.);

- метод круговых (циклических) процессов (циклов), предложенный С. Карно (1824 г.).

Существуют и такие методы, например, как метод термодинамических функций (потенциалов), эксергетический метод и др., однако они в настоящем пособии не применяются.

Термодинамика использует основные выводы и понятия статистической физики, например, понятия макрочастицы и физического тела.

Макрочастицей вещества называется совокупность такого (достаточно большого) числа микрочастиц, что её размеры, с одной стороны, настолько малы, чтобы данное вещество, состоящее из таких макрочастиц, можно было рассматривать как сплошную среду, и в то же время настолько велики, чтобы для этой совокупности микрочастиц можно было бы вводить такие понятия, как термодинамическое давление, термодинамическая температура и др. Эти понятия называются макроскопическими. Они характеризуют только результат движения и взаимодействия огромного числа микрочастиц, из которых состоят макрочастицы.

Под физическим телом понимается ограниченная в пространстве совокупность макрочастиц.

Применение термодинамических методов не зависит от внутреннего строения тел, а также от характера движения и взаимодействия образующих эти тела частиц. Эти методы анализируют только процессы, являющиеся следствием этого движения и взаимодействия.

Движение и взаимодействие тел

Движение — форма существования материи. Виды движения тел и составляющих их частиц разнообразны: механическое движение, молекулярное, химическое, электрическое, квантовое, ядерное и др. движения.

Все виды движения тел делятся на внешние и внутренние движения. Внешние — это видимые механические движения тел. Внутренние — это в основном невидимые (исключение составляет свет, который является видимым квантовым движением частиц тела — фотонов) движения, к которым относят все движения частиц, составляющих тело. Они характеризуют молекулярное (например, хаотическое движение молекул газа), внутримолекулярное или химическое (движение частиц при химических реакциях), внутриатомное или электромагнитное (например, движение квантов света при излучении), внутриядерное и др. движения.

Внешнее и внутреннее движения в сумме составляют полное движение тела.

Движения, кроме того, разделяются по форме на неупорядоченные и упорядоченные, которые в сумме также дают полное движение тела.

Неупорядоченные движения называются тепловыми движениями. Они присущи только внутреннему движению тел и являются наиболее естественной формой этого движения, так как внутреннее самопроизвольное установившееся равновесное движение огромного числа частиц тела может быть только тепловым.

Упорядоченные движения называются нетепловыми движениями. Эти движения могут быть как внешними, так и внутренними. Такие движения возникают только при определенных условиях и часто являются неустойчивыми. Когда эти условия исчезают, упорядоченные движения всегда самопроизвольно переходят в неупорядоченные (тепловые) движения, которые всегда являются устойчивыми.

Неупорядоченные и упорядоченные движения частиц обусловлены тем, что каждая частица в общем случае имеет две составляющие вектора перемещений —неупорядоченную (хаотическую) и упорядоченную, т.е. имеющую определенное направление. Последняя в зависимости от созданных условий может изменяться от нуля (при чисто тепловом движении) до конечной величины (при нетепловом движении). Отношение упорядоченной и неупорядоченной составляющих может изменяться в широких пределах.

Пример 1.1. Электрический ток в металлах (упорядоченное движение свободных электронов) создается за счет того, что у хаотически движущихся со скоростями порядка 10⁵ см/с электронов, появляется упорядоченная составляющая, имеющая величину порядка 1 см/c.

Пример 1.2. На выходе из сопла ракетного двигателя скорость продуктов сгорания может доходить до 5 км/с, тепловая же составляющая частиц в потоке составляет около 1 км/с.

Степень неупорядоченности (хаотичности) движения характеризует удивительная по своим cвойcтвам функция — энтропия, введенная в науку Р. Клаузиусом (1854 г.). Энтропия — фундаментальное физическое понятие.

Связь между этой функцией и степенью хаотичности движения, характеризуемой термодинамической вероятностью А осуществления данного макросостояния. Состояние газа, характеризуемое его давлением, температурой и плотностью, называется макроскопическим (макросостоянием). Состояние газа, характеризуемое положениями и скоростями всех его частиц, называется микроскопическим (микросостоянием) из всех возможных микросостояний тела, дается формулой

, (1.1)

которая высечена на памятнике австрийскому физику Л. Больцману и носит его имя. Здесь k — постоянная Больцмана — фундаментальная постоянная, введенная М. Планком.

К тепловой (неупорядоченной) форме движения относятся:

- беспорядочное движение частиц, которое путем их соударения непрерывно передается от одних частиц тел к другим или от одних тел к другим при их контакте (теплопроводность, конвективный теплообмен);

- хаотическое движение частиц, вызывавших излучение электромагнитных волн (фотонов). С их помощью, например, тепловое движение частиц одних тел передается в вакууме другим телам при отсутствии непосредственного контакта те (тепловое излучение).

Пример 1.3. Тепловое движение частиц Солнца передается путем излучения через космический вакуум на Землю.

К нетепловой (упорядоченной) форме движения относится прежде всего механическое движение тел или макрочастиц по конкретным траекториям. К такой форме движения, кроме того, относятся:

- электрическое движение, т.е. упорядоченное движение в целом заряженных частиц — электронов или ионов (электрический ток);

- магнитное движение, когда создается организованная (упорядоченная) ориентация всех элементарных магнитов в ферромагнитном материале;

- лазерное (электромагнитное) излучение, когда орга-низуется упорядоченное движение фотонов в заданном направлении;

- биологические процессы, когда определенные химические и электромагнитные явления происходят по заданным («запрограммированным») законам, заложенным, например, в хромосомах клеток и др.

Передача движения от одних тел к другим происходит в результате их взаимодействия с помощью некоторых силовых полей.

Современная физика различает четыре фундаментальных вида взаимодействия, которые осуществляются посредством соответствующих силовых полей: гравитационного, электрического, ядерного и слабого.

Во всех явлениях неастрономических и неядерных масштабов, т.е. на микроскопическом уровне атомов и молекул, проявляется в основном лишь одно из них — электрическое (гравитационное поле намного слабее электрического). Однако макроскопические проявления этого взаимодействия оказываются весьма разнообразными, и именно они определяют наблюдаемые различные движения в указанных масштабах.

Пример 1.4. Явления упругости в кристаллах основаны на электрическом взаимодействии между атомами твердого тела. Тепловое движение частиц внутри тел обусловлено действием сил инерции движения и электрических сил взаимодействия между частицами тела. Агрегатное состояние тела определяется также взаимодействием этих сил. Химические реакции связаны с электрическим взаимодействием ядер и электронных оболочек различных химических элементов. Электромагнитное излучение нагретого тела основано на электромагнитном взаимодействии между электронными оболочками атомов излучающего тела и т.п.

Энергия

Для количественной характеристики рассмотренных процессов движения и взаимодействия используется понятие энергии. Термин «энергия» (от греческого слова «энергеа» — деятельность) ввел в науку Томас Юнг (1798 г.).

Понятие энергии в науке является категорией, т. е. таким понятием, которое не может быть выражено с помощью других, более общих понятий или терминов.

Энергия — это количественная мера интенсивности материального движения или взаимодействия тел.

Сколько различных видов движений и взаимодействий, столько же и соответствующих им видов энергии.

Пример 1.5. Различают энергию механического, молекулярного, химического и ядерного движений, а также энергию гравитационного и электрического взаимодействий и др.

Энергия механического движения, т. е. движения тела по определенной траектории в пространстве, называется кинетической энергией тела.

Энергия взаимодействия тел с помощью силового поля, зависящая от взаимного расположения тел в пространстве, называется потенциальной энергией данного тела в силовом поле.

Часто сумму кинетической энергии того или иного вида движения тел или частиц, а также потенциальной энергии их взаимодействия при этом движении называют полной механической энергией данного вида движения или просто энергией данного вида.

Пример 1.6. Сумма кинетической энергии механического движения и потенциальной энергии взаимодействия тела с другими телами называется механической энергией тела.

Пример 1.7. Сумма кинетической энергии теплового неупорядоченного движения молекул и потенциальной энергии их взаимодействия называется полной энергией молекулярного движения или просто молекулярной (тепловой) энергией.

Виды энергии, как и виды движения, делятся на внешнюю и внутреннюю, а также на нетепловую и тепловую энергии тела.

Внешней энергией тела считается его механическая энергия.

Внутренней энергией тела называется сумма энергии всех видов движения и взаимодействия составляющих его частиц, т.е. молекулярной, химической, электромагнитной, атомной, ядерной и т. д. Она равна полной энергии тела без внешней энергии.

Нетепловой энергией называют энергию нетеплового (упорядоченного) движения.

Тепловой энергией называют энергию теплового (неупорядоченного) движения.

Деление энергии на нетепловую и тепловую обусловлено наличием двух форм движения — упорядоченной и неупорядоченной.

Существенно, что при обмене энергией тела могут приобретать движение только в этих двух формах — упорядоченной и неупорядоченной.