Физические основы механики

                                                                  

 

Внешнее давление на жидкость или газ передается во все стороны  равномерно (закон Паскаля).

Столб жидкости или газа, находясь в однородном поле тяготения, создает давление, обусловлено весом  этого столба.

             

где  ρ – плотность  жидкости или газа;  g – ускорение  свободного падения;  h – высота столба.

Давление  , обусловленное весом столба жидкости называется гидростатическим давлением.

Если учитывать внешнее  давление на поверхность жидкости (атмосферное  давление или давление поршня) , то

                                                                     

Где P0-давление на поверхность жидкости.

Гидростатический парадокс. Сила давления жидкости на дно сосуда не зависит от формы сосуда и определяется только высотой столба жидкости и  площадью дна сосуда.

Силами тяготения земли  удерживает вокруг себя слой воздуха  –атмосферу. Воздух состоит из смеси азота (78%), кислорода (21%), аргона (0,9%) углекислого газа, паров воды и прочих газов. Определенной границы атмосфера не имеет и простирается от поверхности земли до высоты более 100 км.

На уровне моря атмосферное  давление составляет 760 мм. Рт. Ст. и  называетсся нормальным атмосферным давлением. Уровень моря – нулевая отметка поверхности Земли.

P0 =760 мм. Рт. Ст. = 1,013X10⁵≈10⁵Па, т. е. на 1м²  поверхности земли воздух давить с силой F=10⁵H, следовательно, на площадку 1 см² поверхности земли давит столб воздуха массой 1 кг.

Если допустить, то отсутствуют  воздушные течения и температура  в любой точке атмосферы одинакова, то зависимость атмосферного давления P от высоты описывается барометричесой формулой давления:

                                                                          

Где h –высота над уровнем моря, и - атмосферное давление на уровне моря и на высоте h,

- плотность воздуха на уровне  моря, g-ускорение свободного падения, e≈2,72.

Закон Архимеда. На тело погруженное  в жидкость(газ) плотность действует выталкивающая сила FA  направленная противоположно силе тяжести mg и численно равная весу вытесненной жидкости (газа) в объеме погруженной в жидкость (газ) части тела (Vn).

                                                                                  

II  Глава. Теплота и молекулярная физика.

Изолированная система 9например газ, находящийся в сосуде с непроводящими  стенками) в конечном итоге переходит  в такое состояние, которое в  дальнейшем не изменятся. Такое состояние называется тепловым равновесием, т. е. температура во всех точках системы постоянна. Изменение температуры тела вызывает изменение свойств тела (размеров, плотности, упругости, электропроводности и т. д.).

Температура тела характеризует  кинетическую энергию теплового  движения его молекул (атомов).

По государственным стандартам приняты две температурные шкалы  – термодинамическая (Кельвина) и  практическая (Цельсия). В качестве отправной базовой точки абсолютной температурной шкалы (Кельвина) принято  значение температуры Т=ОК, которое получило название абсолютный нуль. В классической МКТ при Т=ОК, в веществе полностью отсутствует тепловое движение молекул, т. к. кинетическая энергия молекул равна нулю. Квантовая физика утверждает что при абсолютном нуле молекулы обладают энергией нулевых колебаний. Термодинамическая температурная шкала связана с Международной практической температурной шкалой (МПТШ-68) соотношением:

Т=t+273,15 , где t –температура по шкале Цельсия .

В шкале Цельсия за нуль принимается температура равновесия воды и льда, а за t=100° принята температура кипения воды при нормальном давлении. Величина градуса абсолютной температурной шкалы равна градусу шкалы Цельсия.

Нормальные условия- физические условия, определяемые давлением.

P₀=760мм. рт. ст. = 101325Па 10⁵Па и температурой Т₀=273,15к (t=0⁰C). Нормальной для жизни человека считается относительная влажность 40-60% .

Газовые законы.

Свойства большинства  веществ, находящихся в газообразном состоянии, при обычных условиях могут быть описаны уравнением.

                                                              .

Это уравнение называется уравнением состояния идеального газа, или уравнением Клайперона-Менделеева. Здесь P – давление газа, V – объем, занимаемый m килограммами газа, -молярная масса, R=8,31Дж/моль * к (универсальная газовая постоянная), Т – температура по термодинамической шкале.

Молярная масса  численно равна произведению массы отдельной молекулы вещества (m₀) на количество молекул в одном моле:

=m₀*Na; [ ]= 1*кг\моль;

Где Na=6,02*10²³ моль ^-1. В одном моле различных веществ содержится одно и то же число молекул (постоянная Авогадро N_a) .

Отношение массы вещества m к его молярной массе называется количеством вещества                 

                                                         .

 

Т. О. уравнение Клайперона- Менделеева можно переписать:

                                                            .

Уравнение (1) можно применить (в первом приближении) к любым  веществам в газовом состоянии, если плотность этих веществ меньше плотности их насыщенных паров при  тех же температурах.

Если масса m и молярная масса газа не изменяются с течением времени, то состояние газа полностью описываются уравнением (1), в котором можно выделить три переменных параметра: давление P, объем и температуру Т. Оставляя один из параметров газа (P, V, T) неизменным и варьируя двумя другими можно получить изопроцессы в идеальном газе:

Изотерический процесс T=const.

                                                              P*V=const. 

Изохороческий процесс v=const/

                                                          

Изобарный процесс P=const.

                                                          

Из уравнения (1) может  быть найдена плотность газа:

                                                        

Если плотность газа становится сравнимой с плотностью насыщающего  пара при данной температуре, то наблюдаются  значительные отступления от уравнения  состояния (1) идеального газа. В этом случае необходимо учитывать силы взаимодействия молекул газа и занимаемый ими  объем. Такой учет приводит к уравнению  реального газа. Наиболее широко используется уравнение Ван дер Ваальса:

                                            

  Где a и b – постоянные  Ван дер Ваальса

 

 

2) Явления переноса.

Теплота передается посредством  конвекции, теплопроводности и излучения.

Теплопроводность. Теплопроводностью  называется процесс передачи теплоты  вследствие хаотического теплового  движения молекул или атомов.

Очевидно что теплота Q , прошедшая посредством теплопроводности через площадь S за время t, пропорциональна площади S, времени t и градиенту температуры

               Q            или           .

где -теплопроводность (коэффициент теплопроводности).

Знак минус показывает что при теплопроводности энергия переносится в сторону убывания температуры. (T₂>T₁).

Теплопроводность  равна количеству теплоты, переносимой через единицу площади за единицу времени при температурном градиенте, равном единице.

Диффузия. Явление диффузия заключается в том, что происходит самопроизвольное проникновение и  перемешивание части двух соприкасающихся  газов, жидкостей и даже твердых  тел.

Диффузия сводится к обмену масс части этих тел, возникает и  продолжается, пока существует градиент плотности.

Масса М вещества, перенесенная в результате диффузии через площадь  S, времени t и градиенту плотности

                                                        .

Где D – диффузия (коэффициент диффузии, коэффициент пропорциональности).

Диффузия D равна массе веществ переносимого через единицу площади за единицу времени при градиенте плотности (концентрации), равном единице.

Внутреннее трение (вязкость). При относительном параллельном смещении слоев жидкости или газа в нем возникают силы трения, тормозящие движение слоев, движущихся с большей  скоростью, и ускоряющие слои с меньшей  скоростью. Причиной вязкости является перенос количества движения (импульса) упорядоченного движения молекулами, переходящими из одного слоя в другой.

Величина силы внутреннего  трения

                                                    

 

где Δ  /Δx – отношение разности скоростей слоев к расстоянию между ними;  S — площадь соприкосновения слоев.

Коэффициент внутреннего  трения η измеряется силой трения, возникающей между двумя слоями с площадью, равной единице, при градиенте  скорости равном единице  .

 

 

 

 

Электродинамика

Электростатическое поле.

Электростатика – раздел физика, который изучает свойство и взаимодействие неподвижных электрических зарядов  и создаваемых ими электрических  полей.

Существуют два рода электрических  зарядов – положительные и  отрицательные. Положительными называются заряды, возникающие на стекле, потертом о шелк, отрицательными – заряды, возникающие на эбоните, потертом о  мех.

Процесс электризации заключается  в том, что отрицательные и  положительные заряды распределяются неравномерно между телами (например, при электризации трением или  в гальваническом элементе) или между  отдельными частями одного и того же тела (например, при электростатической индукции).

Носителями отрицательных зарядов  в атоме являются электроны, носителями положительных зарядов – протоны, входящие в состав ядра атома. Сумма  положительных и отрицательных  зарядов в атоме равна нулю (атом в целом нейтрален).

1) Закон сохранения электрического заряда.

Взаимодействие зарядов.

В изолированной системе при  любых взаимодействиях N заряженных тел алгебраическая сумма электрических – величина постоянная (закон сохранения эл. зарядов).

 

Носителями зарядов в различных  средах могут быть электроны, оторванные от атомов (например, в металлах), ионы – части молекул или атомов, имеющие положительные и отрицательные  заряды (например, в электролитах и  газах).

Установлено опытным путем, что  электрические заряды существуют в  природе в виде свободных заряженных частиц. Наименьший отрицательный заряд  имеет частица, получившая название электрон (e), а наименьший положительный заряд имеет частица, названная протоном (p). Заряды протона и электрона имеют одинаковую по модулю, но разную по знаку величину:

 

                                                ,            

                                               Элементарный заряд 

Одноименные заряды (+q₁ и +q₂ или –q₁ и –q₂) отталкиваются, разноименные заряды ( +q₁ и –q₂ или –q₁ и +q₂) притягиваются.

Рассмотрим взаимодействие двух точечных зарядов (рис. 19) . Точечный заряд q-это заряженное тело, размерами  которого можно пренебречь по сравнению с расстоянием от этого тела до других тел, несущих электрический заряд.

                                                       

Рис. 19

Сила взаимодействие между двумя точечными зарядами +q₁ и +q₂ прямо пропорциональна их величинам (–q₁ и –q₂), обратно пропорциональна квадрату  расстоянию (r) между ними и направлена вдоль прямой, соединяющей заряды (закон Кулона):

 

Где Ɛ₀ =8,85 · 10^-12 Кл/м²Н –электрическая постоянная(не имеет постоянного смысла и введена для согласования величин и разрядностей в СИ;

Ɛ₀ - относительная диэлектрическая проницаемость среды, показывающая во сколько раз сила взаимодействия между зарядами q₁ и q₂ меньше в среде чем в вакууме (Ɛ_{вакууме} =1, Ɛ_вода=81, Ɛ_{парафин} =2,2).

Сила Кулона положительна F>0, если взаимодействующие заряды одноименные (см. рис.), сила Кулона отрицательна F<0, если заряды разноименные.

2) Электрическое поле. Напряженность электрического поля.

Электрически заряженные тела всегда окружены электрическим полем. Поле неподвижных зарядов называют электростатическим. Напряженность  электрического поля в данной точке (рис. 20) численно равна силе, действующей на единичный положительный заряд, помещенный в эту точку:

                                                                   .

Рис. 20

Напряженность – величина векторная.  (Для характеристики электрического поля также используют вектор электрического смещения, который по определению равен ;  )

Направление вектора напряженности  совпадает с направлением силы, действующей  па положительный заряд. Напряженности  полей двух и более различных  электрических зарядов складываются по правилу параллелограмма, т. е. векторно.

Примеры : а) напряженность электрического поля точечного заряда (рис. 21)

Рис. 21

E= ,

где

r – расстояние от заряда q до точки в которой определяется напряженность .

б) напряженность электрического поля равномерно заряженной (с поверхностной  плотностью δ=dq/ds) бесконечной плоскости (рис. 22).

Рис. 22

Линии напряженности перпендикулярны рассматриваемой плоскости и направлены от нее в обе стороны. Поле напряженность которого во всех точках имеет одинаковое направление и величину, называется однородным. Однородное электрическое поле изображается параллельными силовыми линиями одинаковой частоты. Однородное электрическое поле можно создать, если зарядить равными по величине разноименными зарядами протяженные плоские параллельные металлические пластины.  На точечный заряд q, помещенный в однородное электрическое поле напряженностью , действует сила Кулона :