--PAGE_BREAK--
Эне́ргия — скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения материи и мерой перехода движения материи из одних форм в другие.
Основное утверждение про энергию носит название закон сохранения энергии и заключается в том, что суммарная энергия замкнутой системы не изменяется во времени.
--PAGE_BREAK--
из которых следует
Обобщение равенства (4.30) для случая молей в системе приводит к результату:
3. Изотермический процесс
. При изотермическом процессе температура системы не изменяется (ΔТ = 0), а, следовательно, ее внутренняя энергия, являясь для идеального газа только функцией температуры, остается постоянной, то есть ее изменение ΔU = 0. Это значит, что сообщаемое системе количество теплоты идет на совершение работы.
Рис. 4.9
Найдем работу расширения моля идеального газа в изотермическом процессе. Изотерма в координатах Р – V представляется гиперболой. Как уже было рассмотрено ранее, работу расширения газа от начального объема V1 до V2 можно найти, используя равенство
Давление моля идеального газа, как следует из уравнения состояния, равно
и выражение для работы принимает вид:
Очевидно, что чем меньшие интервалы изменения объема ΔVi выбираются для вычисления работы, тем точнее будет получено ее значение. Предельный переход в соотношении (4.32) приводит к выражению:
где V1 и V2 – объемы, занимаемые системой соответственно в начальном и конечном состояниях. Обобщая формулу (4.33) на случай системы, содержащей ν молей газа, получаем равенство:
Пользуясь уравнением изотермического процесса (PV = const), равенство (4.34) можно представить через другие параметры состояния системы:
где Р1 и Р2 – давление газа в начальном и конечном состояниях.
4. Адиабатический процесс.
Адиабатический процесс – процесс, идущий без теплообмена с окружающей средой. Это значит, что система должна быть теплоизолирована, либо процесс должен протекать так быстро, что за время процесса не происходит теплообмена системы с окружающей средой. Условие адиабатичности процесса означает, что Q = 0.
Уравнение первого закона термодинамики для адиабатического процесса принимает вид:
Из последнего соотношения следует, что А = – ΔU и для одного моля идеального газа равно
Из (4.37) очевидно, что если адиабатически изолированная система подвергается сжатию (внешние силы совершают над системой работу, поэтому работа отрицательна), то ΔU > 0. Это означает, что адиабатическое сжатие идеального газа приводит к повышению его температуры. Напротив, адиабатическое расширение идеального газа (работа совершается самой системой, поэтому она положительна) может происходить только за счет уменьшения его внутренней энергии (ΔU
Все рассмотренные выше процессы могут быть представлены одним уравнением – уравнением политропического процесса. Политропический процесс – это процесс, идущий с постоянной теплоемкостью. Уравнение политропического процесса имеет вид
где – показатель политропы.
Уравнения всех рассмотренных процессов, их графики, значения теплоемкости и показатели политропы, а также значения всех величин, входящих в выражение первого закона термодинамики, представлены в
Первое начало термодинамики
— один из трёх основных законов термодинамики, представляет собой закон сохранения энергии для термодинамических систем.
Существует несколько эквивалентных формулировок первого начала термодинамики
Количество теплоты, полученное системой, идёт на изменение её внутренней энергии и совершение работы против внешних сил
Изменение внутренней энергии системы при переходе её из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе и не зависит от способа, которым осуществляется этот переход
Изменение полной энергии системы в квазистатическом процессе равно количеству теплоты Q, сообщённому системе, в сумме с изменением энергии, связанной с количеством вещества N при химическом потенциале μ, и работы A', совершённой над системой внешними силами и полями, за вычетом работы A, совершённой самой системой против внешних сил
ΔU = Q − A + μΔN + A'.
Для элементарного количества теплоты δQ, элементарной работы δA и малого приращения dU внутренней энергии первый закон термодинамики имеет вид:
dU
= δQ − δA + μdN + δA'.
Разделение работы на две части, одна из которых описывает работу, совершённую над системой, а вторая — работу, совершённую самой системой, подчёркивает, что эти работы могут быть совершены силами разной природы вследствие разных источников сил.
Важно заметить, что dU и dN являются полными дифференциалами, а δA и δQ — нет.
--PAGE_BREAK--
Электростатическая защита — помещение приборов, чувствительных к электрическому полю, внутрь замкнутой проводящей оболочки для экранирования от внешнего электрического поля.
Это явление связано с тем, что на поверхности проводника (заряженного или незаряженного), помещённого во внешнее электрическое поле, заряды перераспределяются так (явление электрической индукции), что создаваемое ими внутри проводника поле полностью компенсирует внешнее.
31. диэлектрики в эл. Поле. Диэлектрическая проницаемость.
Диэлектрики в электрическом поле
Диэлектрики – это тела, состоящие из нейтральных молекул. Молекулы бывают полярные (обладающие дипольным моментом) и неполярные (не обладающие дипольным моментом). Диэлектрик, состоящий из полярных молекул, во внешнем поле поляризуется, то есть приобретет дипольный момент за счёт преимущественной ориентации молекулярных диполей в направлении внешнего поля.
Вот имеем кусок диэлектрика, внешнее поле отсутствует. Дипольные моменты молекул ориентированы хаотически, и в среднем дипольный момент любого элемента объёма равен нулю (рис.5.6).
Однако, если мы поместим внешнее электрическое поле, появится преимущественная ориентация, все эти дипольные моменты сориентируются примерно так, как показано на рисунке 5.7. Они не смогут все построиться вдоль поля, потому что хаотическое тепловое движение разрушает структуру, но, по крайней мере, на фоне этого хаоса они будут все стремиться сориентироваться вдоль поля.
Диэлектрик, состоящий из неполярных молекул, также поляризуется, потому что эти молекулы приобретают дипольный момент во внешнем поле.
, однако, если мы внесём эту молекулу во внешнее электрическое поле, то внешнее поле растаскивает положительный и отрицательный заряды, и молекула приобретает дипольный момент.
Относи́тельная диэлектри́ческая проница́емость среды ε — безразмерная физическая величина, характеризующая свойства изолирующей (диэлектрической) среды. Связана с эффектом поляризации диэлектриков под действием электрического поля (и с характеризующей этот эффект величиной диэлектрической восприимчивости среды).
32. работа эл. Поля при перемещение заряда.
Потенциальная энергия заряженного тела в однородном электростатическом поле.
Работа при перемещение электрического заряда в электрическом поле
Вычислим работу при перемещении электрического заряда в однородном электрическом поле с напряженностью . Если перемещение заряда происходило по линии на пряженности поля на расстояние Ad = d1-d2 (рис. 110), то работа равна
где d1 и d2 — расстояния от начальной и конечной точек до пластины В.
В механике было показано, что при перемещении между двумя точками в гравитационном поле работа силы тяжести не зависит от траектории движения тела. Силы гравитационного и электростатического взаимодействия имеют одинаковую зависимость от расстояния, векторы сил направлены вдоль прямой, соединяющей взаимодействующие точечные тела. Отсюда следует, что и при перемещении заряда в электрическом поле из одной точки в другую работа сил электрического поля не зависит от траектории' его движения.
При изменении направления перемещения на 180° работа сил электрического поля, как и работа силы тяжести, изменяет знак на противоположный. Если при перемещении заряда q из точки В в точку С силы электрического поля совершили работу А, то при перемещении заряда q по тому же самому пути из точки С в точку В они совершают работу — А. Но так как работа не зависит от траектории, то и при перемещении по траектории СКВ тоже совершается работа — А. Отсюда следует, что при перемещении заряда сначала из точки В в точку С, а затем из точки С в точку В, т. е. по замкнутой траектории, суммарная работа сил электростатического поля оказывается равной нулю (рие.111).
Работа сил электростатического поля при движении электрического заряда по любой замкнутой траектории равна нулю.
Поле, работа сил которого по любой замкнутой траектории равна нулю, называется потенциальным полем. Гравитационное и электростатическое поля являются потенциальными полями.
ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ ЗАРЯЖЕННОГО ТЕЛА В ОДНОРОДНОМ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ
Электростатическая энергия - потенциальная энергия системы заряженных тел (т.к. они взаимодействуют и способны совершить работу).
Так как работа поля не зависит от формы траектории, то одновременно
сравнивая формулы работы, получим потенциальную энергию заряда в однородном электростатическом поле
Если поле совершает положительную работу ( вдоль силовых линий ), то потенциальная энергия
заряженного тела уменьшается (но согласно закону сохранения энергии увеличивается кинетическая энергия ) и наоборот.
33. потенциал эл. Поля и разность потенциалов. Напряжения. Связь между напряжением и напряженностью однородного поля. Эквипотенциальные поверхности.
.
Связь напряжения с напряженностью поля. При перемещении положительного заряда q по линии напряженности однородного поля на расстояние d кулоновская сила совершает работу, равную
.
С другой стороны, работа электрического поля может быть найдена по известному напряжению U между начальной и конечной точками пути:
A = qU
Следовательно, напряжение U между двумя точками в однородном электрическом поле, расположенными по одной линии напряженности, равно произведению модуля вектора напряженности поля на расстояние d между этими точками:
U = Ed. (40.10)
Отсюда для напряженности однородного электрического поля получаем выражение
. (40.11)
Из соотношения (40.11) следует, что единицей напряженности электрического поля в СИ является вольт на метр (В/м):
Напряжение. Отношение работы, совершаемой любым электрическим полем при перемещении положительного заряда из одной точки поля в другую, к значению заряда называется напряжением между этими точками:
. (40.7)
Отсюда работа сил электрического поля при перемещении заряда равна произведению напряжения U между точками на заряд q:
A = qU. (40.8)
В электростатическом поле напряжение между двумя любыми точками равно разности потенциалов этих точек:
.
Как будет показано далее, равенство (40.9) может не выполняться, если электрическое поле непотенциальное. В непотенциальных электрических полях работа сил поля при перемещении электрического заряда зависит от траектории движения заряда из одной точки в другую.
Эквипотенциальные поверхности. Поверхность, во всех точках которой потенциал электрического поля имеет одинаковые значения, называется эквипотенциальной поверхностью.
Между двумя любыми точками на эквипотенциальной поверхности разность потенциалов равна нулю, поэтому работа сил электрического поля при любом перемещении заряда по эквипотенциальной поверхности равна нулю. Это означает, что вектор силы в любой точке траектории движения заряда по эквипотенциальной поверхности перпендикулярен вектору скорости. Следовательно, линии напряженности электростатического поля перпендикулярны эквипотенциальной поверхности.
Эквипотенциальными поверхностями поля точечного электрического заряда являются сферы, в центре которых расположен заряд (рис. 136).
Эквипотенциальные поверхности однородного электрического поля представляют собой плоскости, перпендикулярные линиям напряженности (рис. 137).
Разность потенциалов. Мерой изменения энергии при взаимодействиях тел является работа. Мы выяснили, что при перемещении электрического заряда q работа А сил электростатического поля равна изменению потенциальной энергии заряда, взятому с противоположным знаком, поэтому из выражений (40.1) и (40.3) получаем
. (40.5)
При перемещении электрического заряда в электростатическом поле работа сил поля равна произведению заряда на разность потенциалов начальной и конечной точек траектории движения заряда.
Так как работа сил электростатического поля при перемещении заряда из одной точки пространства в другую не зависит от траектории движения заряда между этими точками, то разность потенциалов двух точек электрического поля является величиной, не зависящей от траектории движения заряда. Разность потенциалов, следовательно, может служить энергетической характеристикой электростатического поля.
Если потенциал поля на бесконечно большом расстоянии от точечного электрического заряда в вакууме принимается равным нулю, то на расстоянии r от заряда он определяется по формуле
Потенциал. В одной точке электростатического поля разные заряды могут обладать различной потенциальной энергией, но отношение потенциальной энергии Wp к заряду q для данной точки поля оказывается постоянной величиной. Эту величину принимают за энергетическую характеристику данной точки поля.
Физическая величина, равная отношению потенциальной энергии электрического заряда в электрическом поле к заряду, называется потенциалом φ электрического поля:
.(40.2)
Отсюда потенциальная энергия Wp заряда в электростатическом поле равна произведению заряда q на потенциал φ электрического поля в данной точке:
. (40.3)
Значение потенциальной энергии электрического заряда в данной точке электрического поля определяется не только характеристиками электрического поля, но и знаком заряда, помещенного в данную точку поля, и выбором нулевого уровня отсчета потенциальной энергии.
Потенциал — величина скалярная. Если в некоторой точке пространства двумя зарядами одновременно созданы электрические поля с потенциалами и , то потенциал двух электрических полей равен алгебраической сумме потенциалов и :
.
Аналогичным способом можно найти потенциал электрического поля, созданного любым числом электрических зарядов.
34. электрическая емкость. Конденсатор. Энергия эл. поля
Электрическая ёмкость — характеристика проводника, мера его способности накапливать электрический заряд. В теории электрических цепей ёмкостью называют взаимную ёмкость между двумя проводниками; параметр ёмкостного элемента электрической схемы, представленного в виде двухполюсника. Такая ёмкость определяется как отношение величины электрического заряда к разности потенциалов между этими проводниками.
В системе СИ ёмкость измеряется в фарадах. В системе СГС в сантиметрах.
Для одиночного проводника ёмкость равна отношению заряда проводника к его потенциалу в предположении, что все другие проводники бесконечно удалены и что потенциал бесконечно удалённой точки принят равным нулю. В математической форме данное определение имеет вид
где Q — заряд, U — потенциал проводника.
Ёмкость определяется геометрическими размерами и формой проводника и электрическими свойствами окружающей среды (её диэлектрической проницаемостью) и не зависит от материала проводника. К примеру, ёмкость проводящего шара радиуса R равна (в системе СИ):
Понятие ёмкости также относится к системе проводников, в частности, к системе двух проводников, разделённых диэлектриком — конденсатору. В этом случае взаимная ёмкость этих проводников (обкладок конденсатора) будет равна отношению заряда, накопленного конденсатором, к разности потенциалов между обкладками. Для плоского конденсатора ёмкость равна:
где S — площадь одной обкладки (подразумевается, что они равны), d — расстояние между обкладками, ε — относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками, ε0 = 8.854×10−12 Ф/м — электрическая постоянная.
Конденса́тор (от лат. condensare — «уплотнять», «сгущать») — двухполюсник с определённым значением ёмкости и малой омической проводимостью; устройство для накопления заряда и энергии электрического поля. Конденсатор является пассивным электронным компонентом. Обычно состоит из двух электродов в форме пластин (называемых обкладками), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок.
Энергия электростатического поля.
Энергия заряженного плоского конденсатора Eк равна работе A, которая была затрачена при его зарядке, или совершается при его разрядке.
A = CU2/2 = Q2/2С = QU/2 = Eк.
Поскольку напряжение на конденсаторе может быть рассчитано из соотношения:
U = E*d,
где E — напряженность поля между обкладками конденсатора,
d — расстояние между пластинами конденсатора,
то энергия заряженного конденсатора равна:
Eк = CU2/2 = ee0S/2d*E2*d2 = ee0S*d*E2/2 = ee0V*E2/2,
где V — объем пространства между обкладками конденсатора.
продолжение
--PAGE_BREAK--