Помоги проекту - поделись книгой:
Первый закон термодинамики гласит: переданное системе тепло
Внутренней называется энергия частиц тела, которой они обладают вследствие своего хаотичного движения или отделения друг от друга. Работа — это энергия, переданная в результате перемещения тела из одного места в другое.
Адиабатическим процессом называется изменение состояния системы, происходящее без передачи тепла (
Изотермическим процессом называется изменение состояния системы, происходящее без изменения температуры. Внутренняя энергия идеального газа пропорциональна его абсолютной температуре.
Работа, проделанная идеальным газом при расширении с постоянным давлением р, равна р
ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ
Энергия, которой обладает тело благодаря своей температуре, называется тепловой. При передаче телу энергии для увеличения его тепловой энергии частицы тела:
• получают кинетическую энергию с повышением температуры;
• используют получаемую энергию для разрыва связей между молекулами, если тело переходит из твердого состояния в жидкое или газообразное либо из жидкого в газообразное.
ТЕПЛОПЕРЕДАЧА
Тепло — это энергия, передаваемая в результате разности температур. Существуют три способа передачи тепла: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение.
Теплопроводность наблюдается в твердых, жидких и газообразных телах. Металлы — наилучшие проводники тепла, поскольку в них присутствуют свободные электроны, легко приобретающие кинетическую энергию при нагревании и переносящие ее из горячих участков металла в более холодные. Тепло в неметаллах, жидкостях и газах передается движением атомов в горячих участках: атомам в более холодных.
Теплопроводностью материала называется количество тепла, переносимого в секунду через единицу площади поперечного сечения при градиенте температуры в 1 К на метр. Для однородного изолированного проводника площадью поперечного сечения А и длиной L при разности температур ΔТ на его концах, передача тепла в секунду от одного конца до другого Q/t = kΔtT/L.
Конвекция — это передача тепла вследствие движения более нагретых слоев жидкости или газа, смещающих более холодные слои. В общем, нагретая часть жидкости или газа движется вверх, потому что ее плотность меньше плотности холодной жидкости или газа. Например, воздух, нагретый батареей центрального отопления, поднимается к потолку и заставляет циркулировать весь воздух в комнате.
Тепловое излучение — это электромагнитное излучение с поверхности, обусловленное разностью температур. Чем больше температура поверхности объекта, тем интенсивнее тепловое излучение. Поверхность, хорошо его выделяющая, является и хорошим поглотителем тепла. Наиболее хороший поглотитель тепла — матовая черная поверхность, а самый плохой — блестящая серебристая.
Спектр теплового излучения с поверхности при температуре T непрерывен и имеет пики при определенной длине волны λp, в соответствии с законом Винса λp Т = 0,0029 Км. Закон Стефана — Больцмана гласит: общая энергия, испускаемая в секунду на единицу площади поверхности подчиняется формуле W/A =σεΤ4, где σ — постоянная Стефана — Больцмана, ε — интенсивность излучения поверхности.
ТИПЫ МЕЖАТОМНЫХ СВЯЗЕЙ
Электроны в каждом атоме распределены по оболочкам, причем каждая из них способна удерживать определенное число электронов. Самая внутренняя оболочка может удерживать два электрона, следующая — восемь, третья — тоже восемь. Электроны в атоме обычно занимают оболочки начиная с внутренней. Заполненные оболочки представляют самые нижние из возможных энергетических уровней атома. Количество электронов во внешней оболочке атома определяет тип связи, который он может образовать с другим атомом. Атомы инертных газов не образуют связей, так как каждый такой атом имеет полностью заполненную внешнюю оболочку.
Ионные связи в кристаллах удерживают вместе положительно и отрицательно заряженные ионы, образуя регулярный рисунок — решетку. Отрицательно заряженный ион — атом, получивший один или несколько электронов для заполнения внешней оболочки. Положительно заряженный ион — атом, потерявший один или более электронов, освободивших места в его внешней оболочке.
Ковалентные связи соединяют атомы в молекулах, свободных радикалах и аморфных твердых веществах. Каждый атом делит один или более внешних электронов с другим одним или более атомами, поэтому каждый из атомов получает законченную внешнюю оболочку. Каждая общая пара электронов образует ковалентную связь.
Металлические связи наблюдаются в металлах, где положительно заряженные ионы образуют регулярную решетку, удерживаемую «газом» свободных электронов.
Ван-дер-ваальсовы силы являются слабыми силами взаимодействия между нейтральными атомами или молекулами, притягивающими друг друга вследствие того, что ядро одного атома притягивает электроны другого атома.
В Периодической таблице элементы расположены рядами, в порядке увеличения атомной массы, слева направо в каждом ряду и сверху вниз в каждой колонке. Каждая колонка (период) включает элементы с общими химическими свойствами. Каждый ряд соответствует отдельной электронной оболочке, а каждый период — количеству электронов во внешней оболочке. Таким образом, элементы одного периода образуют один и тот же тип связей и имеют общие химические свойства.
ТРАЕКТОРИЯ БРОШЕННОГО ТЕЛА
На любое брошенное тело действует сила притяжения Земли. В любой точке его траектории горизонтальная составляющая ускорения равна нулю, а вертикальная составляющая ускорения равна g, силе гравитационного поля (силе тяжести) в этой точке.
Вертикальное движение брошенного тела не зависит от горизонтального движения. Траекторию брошенного тела можно рассчитать с помощью уравнений динамики для движения с постоянным ускорением.
Если тело просто отпустили и оно падает вниз, не перемещаясь по горизонтали, то его скорость увеличивается равномерно с ускорением, равным g (ускорение свободного падения). Таким образом, через промежуток времени t после отпускания тела:
• его скорость v = gt;
• его средняя скорость будет равна gt/2;
• высота h уменьшится на величину, равную произведению средней скорости на время, и будет определяться по формуле gt
Если тело бросили в горизонтальном направлении со скоростью V, то через промежуток времени t после броска:
• расстояние по горизонтали от точки броска x = Vt, так как его скорость постоянна;
• его вертикальное движение точно такое же, как и движение вертикально падающего тела, поэтому высота уменьшится на величину h = gt2/2.
Таким образом, траектория брошенного тела представляет собой кривую, которая по мере приближения к земле становится все круче и круче. Кривая такого типа называется параболой.
Траектория брошенного тела
Если тело бросили под углом к горизонту, то в горизонтальном направлении оно проходит равные участки через равные промежутки времени. Скорость его вертикального движения уменьшается до нуля, а затем оно начинает падать с увеличивающейся скоростью. Его траектория представляет собой параболу, симметричную относительно своей наивысшей точки.
УБЫВАЮЩИЕ ПРОЦЕССЫ
Убывающим называется процесс, при котором количество уменьшается с возрастающей скоростью. Экспоненциальным убыванием называется процесс, при котором скорость уменьшения количества пропорциональна количеству. Примерами убывающих процессов могут служить разрядка конденсатора и радиоактивный распад. Математические закономерности убывающих процессов применяются и к таким физическим процессам, как поглощение излучения веществом.
Любой процесс экспоненциального убывания можно представить в виде числовой модели, если известно отношение скорости уменьшения количества к количеству. Числовая модель отображается при помощи компьютерной программы или в виде таблицы. Предположим, для примера, что количество N радиоактивных ядер определенного изотопа каждый час уменьшается на 10 %, а начальное количество радиоактивных ядер равно 10 000. Из приведенной ниже таблицы видно, что количество N с каждым часом уменьшается.
Чтобы количество частиц достигло половины начального, потребовалось около 6,5 часа. Если вы сами продолжите таблицу, то заметите: за то же самое время количество радиоактивных ядер будет равно 50 % от 5000. Промежуток времени, за который первоначальное количество частиц сокращается вдвое, называется периодом полураспада.
Этому же подчиняются и любые процессы экспоненциального убывания; полупериодом процесса называется время, за которое изначальное количество сокращается на 50 %. Например, если напряжение конденсатора сокращается на 10 % каждую секунду при подсоединении его к резистору, то потребуется 6,5 секунды, чтобы конденсатор разрядился наполовину.
УПРУГОСТЬ
Упругость — это свойство тел восстанавливать форму после прекращения действия внешних сил. Представим себе тело длиной l и площадью поперечного сечения А. Под воздействием силы растяжения Т длина тела становится равна l + е, где е — полная деформация (изменение размера) тела.
Напряжение материала равно отношению силы растяжения Т к площади поперечного сечения А. Напряжение измеряют в паскалях (Па), 1 Па = 1 Н/м2.
Относительная деформация материала равна отношению полной деформации е к начальной длине l. Поскольку это отношение длин, оно не имеет единицы.
Модуль упругости Юнга Е материала равен отношению напряжения материала к относительной деформации при условии, что напряжение не превышает предела пропорциональности. Единицей Е также служит паскаль (Па), 1 Па = 1 Н/м2.
Взаимоотношение напряжения и относительной деформации многих материалов характеризуется следующими особенностями.
Напряжение пропорционально деформации до известного предела (предела пропорциональности).
Отношение напряжения к относительной деформации постоянно и равно модулю Юнга материала. Таким образом, и сила растяжения пропорциональна полной деформации (до предела пропорциональности).
При превышении предела упругости материал не восстанавливает форму после прекращения действия внешних сил. Это объясняется тем, что атомы удаляются от своего постоянного места настолько, что не могут занять прежнее положение.
Если напряжение выходит за предел пропорциональности, деформация начинает расти быстрее. Напряжение, при котором начинается быстрый рост деформации, называется пределом текучести. В процессе такого деформирования материал может становиться более твердым.
При увеличении напряжения за пределом текучести материал вытягивается и образуется поперечное сужение. Дальнейшее вытягивание приводит к увеличению напряжения в этом сужении до тех пор, пока оно не разрывается. Напряжение разрушения равно отношению разрушающего усилия к начальной площади поперечного сечения.
УСКОРИТЕЛИ ЧАСТИЦ
Ускоритель, линейный или циклический, — установка, предназначенная для увеличения кинетической энергии заряженных частиц. Каждая частица разгоняется в электрическом поле, создаваемом между двумя электродами. Затем частицы на большой скорости сталкиваются с другими частицами или античастицами. В результате таких столкновений образуются новые частицы или античастицы.
Синхротрон
Синхротрон состоит из вакуумной трубки в форме кольца, закрепленной между полюсами большого количества электромагнитов, окружающих трубку. При помощи пар электродов в некоторых позициях вдоль кольца заряженные частицы ускоряются по мере прохождения по трубке. Электромагниты создают магнитное поле, поддерживающее круговую траекторию частиц с постоянным радиусом. Напряженность магнитного поля увеличивается синхронно с увеличением массы частиц, поэтому радиус вращения остается постоянным.
Линейные ускорители
Линейные ускорители состоят из длинной серии электродов, подсоединенных к источнику переменного напряжения и представляющих собой коаксиальные (соосные) цилиндры, расположенные в вакуумной трубке. Заряженные частицы испускаются в одном из концов трубки и ускоряются до ближайшего электрода. При прохождении через него напряжение изменяется. Благодаря смене напряжения полярность частиц меняется и они отталкиваются от этого электрода и устремляются к следующему. Процесс повторяется снова и снова; частица, проходя между электродами, каждый раз приобретает кинетическую энергию. При этом магнитное поле не нужно, так как заряженная частица не меняет направления. В подобном линейном ускорителе Стэнфордского университета было получено первое доказательство существования кварков.
Линейный ускоритель
ФОТОН
Фотон — это пакет электромагнитных волн с энергией Е = hf, где f — частота электромагнитных волн. Фотон является квантом (т. е. наименьшим количеством) электромагнитного излучения, которое поступает из источника электромагнитного излучения известной частоты.
Когда электрон переходит из внешней оболочки атома во внутреннюю, он теряет энергию, высвобождаемую в виде фотона. Если электрон переходит с энергетического уровня E1 на более низкий энергетический уровень Е2, энергия испускаемого фотона hf = E1 — E2. Легкие атомы испускают фотоны видимого или ультрафиолетового диапазона. Фотоны рентгеновского излучения испускаются, когда заполняются места во внутренних оболочках больших атомов. γ-фотоны испускаются, когда ядра с избытком энергии возвращаются к основному состоянию.
Для точечного источника фотонов, излучающего энергию с интенсивностью W, количество N фотонов, излучаемых источником в секунду, равно W/hf поскольку каждый фотон обладает энергией hf. Отсюда количество фотонов в секунду, проходящих под прямым углом через единицу площади поверхности на расстоянии r от источника равно (W/hf)/4πr2. Интенсивность излучения на расстоянии r от источника равна энергии, проходящей в секунду под прямым углом через единицу поверхности W/4πr2 = Nhf/4πr2. Следовательно, интенсивность зависит от расстояния и изменяется согласно закону обратного квадрата, который применим и к свету, излучаемому звездой, и к интенсивности радиации из источника γ-излучения. В обоих случаях предполагается, что излучение не поглощается, поэтому интенсивность уменьшается от того, что излучение распространяется равномерно во всех направлениях.
Электронный переход
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСТВО
Фотонная теория электромагнитного излучения была разработана Эйнштейном для объяснения фотоэлектрического эффекта, который представляет собой испускание электронов холодным металлом при направлении на его поверхность луча света свыше определенной частоты. Этот эффект открыл в 1888 году Холвакс, обнаруживший, что изолированная заряженная цинковая пластина разряжалась, когда ее облучали ультрафиолетовым светом. Дальнейшие исследования показали: металл испускает электроны при освещении и эффект не возникает, если частота света меньше определенной пороговой величины, независимо от интенсивности света.
В каждом металле содержатся электроны проводимости, оторванные от ядер и свободно движущиеся между ними. При нагревании металла эти электроны приобретают кинетическую энергию и начинают двигаться быстрее. Находясь у поверхности металла, они могут приобретать кинетическую энергию также под действием света, направленного на поверхность. Наличие пороговой частоты не объясняется из волновой теории света, согласно которой свет любой частоты мог бы служить причиной фотоэлектронной эмиссии.
В 1905 году Эйнштейн предложил новое объяснение: свет состоит из мельчайших порций электромагнитного излучения, которые ученый назвал фотонами. Он предположил, что энергия фотона Е пропорциональна его частоте f в соответствии с уравнением Е = hf, где h — постоянная Планка. Если свет направлен на поверхность металла, электроны на его поверхности поглощают фотоны. Каждый электрон, поглощающий фотон, в результате этого приобретает кинетическую энергию, равную энергии фотона (hf). Чтобы оторваться от поверхности незаряженного металла, электрон должен приобрести минимальное количество энергии, называемой работой выхода ф. Кинетической энергией электрона до того, как он поглотил фотон, можно пренебречь. Отсюда электрон, поглотивший фотон, может оторваться от поверхности металла, если энергия фотона превысит работу выхода (т. е. hf>ф). Таким образом, фотоэлектронная эмиссия может происходить на поверхности незаряженного металла, только если частота света превышает ф/h, что и называется пороговой частотой металла.
ЦВЕТ 1 — СПЕКТР БЕЛОГО СВЕТА
Спектр белого света состоит из электромагнитных волн, имеющих длину от 350 (фиолетовый) до 650 нм (красный). Мы воспринимаем цвет благодаря трем типам светочувствительных клеток, называемых колбочками и расположенных в сетчатке глаза. Каждый тип клеток обладает максимальной чувствительностью к разным частям светового спектра, соответствующим основным цветам света — синему, зеленому и красному.
Когда мы смотрим на белый предмет в белом свете, наш глаз воспринимает фотоны различных длин волн в диапазоне от 350 до 650 нм, отразившиеся от поверхности этого предмета и попавшие в наш глаз. В результате возбуждаются все три типа колбочек, а наш мозг воспринимает их сигналы как белый цвет.
Когда мы наблюдаем какой-то отдельный цвет радуги, фотоны определенной длины возбуждают один определенный тип колбочек; здесь возможны сочетания. Например, желтый свет состоит из фотонов с длиной волны около 600 нм, возбуждающих колбочки, чувствительные к красному и зеленому цветам. Мозг интерпретирует поступающие от них сигналы как желтый цвет. Второстепенные цвета — желтый (красный + зеленый), фиолетовый (красный + синий) и голубой (синий + зеленый) — можно наблюдать при пересечении нескольких основных цветов на белом фоне. Например, при пересечении красного и зеленого кругов можно видеть желтый цвет. Это происходит потому, что возбуждается два типа колбочек — чувствительных к красному и к зеленому цветам. Колбочки, чувствительные к синему цвету, не возбуждаются. В этом и вышеприведенном случаях мы видим одинаковый цвет, хотя в первом примере длина волн фотонов была 600 нм, а во втором одни фотоны имели длину волн 650 нм (красный), а другие — 550 нм (зеленый).
ЦВЕТ 2 — ЦВЕТНЫЕ ФИЛЬТРЫ И ПИГМЕНТЫ
Эффекты, наблюдаемые при применении фильтров и пигментов, основаны на поглощении фотонов света молекулами фильтра или пигмента.
Когда белый свет проходит через цветной фильтр, молекулы фильтра поглощают фотоны с определенной длиной волны. Когда мы смотрим на свет, то фотоны, попадающие в наши глаза, взаимодействуют с тремя типами клеток-колбочек на сетчатке. Мозг воспринимает передаваемые ими сигналы как тот или иной цвет. Например, желтый фильтр поглощает фотоны синего цвета, так что в сетчатке возбуждаются только те колбочки, которые чувствительны к красному и зеленому цветам.
Если на поверхность падает белый свет, молекулы пигмента поверхности поглощают фотоны с определенной длиной волны. Таким образом, отраженный от поверхности свет не содержит этих фотонов. Например, желтая поверхность поглощает синие фотоны, оставляя другие. Когда мы смотрим на желтый предмет, то на нашей сетчатке глаза возбуждаются колбочки, чувствительные к красному и зеленому цветам, — мы видим желтую поверхность. Если на поверхность падает цветной свет, молекулы поглощают фотоны с такой же длиной волн (если они присутствуют в нем), как если бы это был белый свет. Отраженный свет опять-таки не содержит этих фотонов. Например, если зеленый свет падает на красную рубашку, то она кажется черной, потому что молекулы красного пигмента поглощают фотоны всех цветов, кроме красного; если на желтую рубашку направить луч белого света и поместить между источником и рубашкой голубой фильтр, то она покажется зеленой. Это происходит потому, что голубой фильтр поглощает фотоны красного цвета, а желтая рубашка — фотоны синего. Оставшиеся фотоны воздействуют на колбочки сетчатки, более чувствительные к зеленому цвету.
ЧЕРНАЯ ДЫРА
Ничто не может покинуть пределы черной дыры, даже свет. Черная дыра — это идеальный поглотитель всех типов электромагнитного излучения (или любой иной формы излучения), подобно тому как черная поверхность служит поглотителем видимого света. Впервые концепция черной дыры была предложена Джоном Мичеллом еще в 1783 году, хотя сам термин «черная дыра» гораздо позже ввел в употребление американский физик Джон Уилер. В 1916 году Альберт Эйнштейн в рамках своей общей теории относительности предсказал, что сильное гравитационное поле искажает пространство — время и искривляет траекторию света. Ученый высчитал, что свет дальней звезды, проходящий мимо Солнца, отклоняется на тысячную долю градуса под действием гравитации последнего. Точные наблюдения этого явления провел Артур Эддингтон, отправившийся в 1919 году в Южную Америку для фотографирования звезд, оказавшихся рядом с солнечным диском во время солнечного затмения. Эддингтон обнаружил, что положения звезд на снимках отклонялись от их обычных позиций именно на такое расстояние, какое и предсказывал Эйнштейн.
Современная теория черных дыр была основана Карлом Шварцшильдом, который использовал принципы теории относительности для доказательства того, что объект с достаточно сильным гравитационным полем не позволит свету покинуть его пределы. Шварцшильд доказал, что такой объект обладает горизонтом событий, т. е. замкнутой поверхностью, ограничивающей область вокруг черной дыры, откуда ничего не может выйти. Любой объект, пересекший область горизонта событий, пропадает навсегда. Радиус горизонта событий называется радиусом Шварцшильда. Для черной дыры массой М радиус Шварцшильда равен 2GM/c2, где G — гравитационная постоянная, известная из теории всемирного тяготения Ньютона, с — скорость света. Чтобы Земля стала черной дырой, ее нужно сжать по крайней мере до 18 мм в диаметре. Астрономы получили косвенные доказательства существования черных дыр. Например, галактика М87 вращается очень быстро и предполагается, что в ее центре находится массивная черная дыра. Источник рентгеновского излучения X1 Лебедя представляет собой двойную систему, состоящую из звезды-сверхгиганта и очень плотной невидимой звезды, которая может быть черной дырой, вытягивающей материю из своего соседа.
ЭВОЛЮЦИЯ ЗВЕЗД
Поделиться книгой: