Вопросы и ответы по физике в ТУСУР (Томск)

Никогда не наблюдается самопроизвольный процесс передачи тепла от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой.

Следовательно, процесс теплообмена при конечной разности температур является необратимым.

Обратимыми процессами называют процессы перехода системы из одного равновесного состояния в другое, которые можно провести в обратном направлении через ту же последовательность промежуточных равновесных состояний. При этом сама система и окружающие тела возвращаются к исходному состоянию.

Процессы, в ходе которых система все время остается в состоянии равновесия, называются квазистатическими . Все квазистатические процессы обратимы. Все обратимые процессы являются квазистатическими. Если рабочее тело тепловой машины приводится в контакт с тепловым резервуаром, температура которого в процессе теплообмена остается неизменной, то единственным обратимым процессом будет изотермический квазистатический процесс, протекающий при бесконечно малой разнице температур рабочего тела и резервуара. При наличии двух тепловых резервуаров с разными температурами обратимым путем можно провести процессы на двух изотермических участках.

Поскольку адиабатический процесс также можно проводить в обоих направлениях (адиабатическое сжатие и адиабатическое расширение), то круговой процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат ( цикл Карно) является единственным обратимым круговым процессом, при котором рабочее тело приводится в тепловой контакт только с двумя тепловыми резервуарами. Все остальные круговые процессы, проводимые с двумя тепловыми резервуарами, необратимы.

Необратимыми являются процессы превращения механической работы во внутреннюю энергию тела из-за наличия трения, процессы диффузии в газах и жидкостях, процессы перемешивания газа при наличии начальной разности давлений и т. д. Все реальные процессы необратимы, но они могут сколь угодно близко приближаться к обратимым процессам.

Обратимые процессы являются идеализацией реальных процессов. 2. Для объяснения направленности процессов в природе вводят понятие термодинамической вероятности( W )-число комбинаций отдельных элементов системы,или число микросостояний,с помощью которых реализуется это состояние.

Термодинамическая вероятность системы,состоящей из двух частей с термодинамическими вероятностями W 1 и W 2 c оответственно,равна произведению термодинамической вероятностей частей системы W = W 1 W 2. Ло гарифмическая функция превращает произведение в сумму ln = ln W 1+ lnW 2 .Поэтому для практического анализа используют не термодинамическую вероятность,а энтропию. 3. Агрегатные Состоя н ия в ещества (от лат. Aggrego – присоед и няю, связываю), состоя ни я одного и того же вещества, переходы между которыми сопровождаются скачкообразным и з мен е ни ем е го свободной энерг и и, энтропи и , плот н ост и и других физических свойств. Все вещества (за н екоторым и сключ е ни е м) могут существовать в трёх агрегатных состояниях — твёрдом, жидком и газообразном. Так, вода пр и нормальном давлении p = 1 0 l 325 Па = 760 мм ртутного столба и при тем пературе t =0 0 С. кристаллизуется в лёд, а п ри 100° С кипит и превращается в пар. Ч е твёртым агрегатным состоя н ием вещества часто считают плазму.

Агрегатное состоя н ие вещества за в исит от физических условий, в которых оно находится, главным образом от температуры и от давления . Опред е ляющ е й величиной является отношен и е средней потенциальной эн е рги и взаимодействия молекул к их средней кинетической эн е ргии . Так, для твёрдого тeл а это отношение больше 1 , для газов меньше 1 , а для жидкост е й приблизительно равно 1 . Переход из одного агрегатного состоя н ия вещества в другое сопровождается скачкообразным и зме н ен и ем величины данного отношения, с в язанным со скачкообразным изме н ением межмолекулярных расстоя ни й и межмолекулярных взаимодействий. В газах межмолекулярные расстояния велик и , молекулы почти не вза и модействуют друг с другом и движутся практ и чески свободно, заполняя весь объём. В жидкостях и твёрдых телах — конде н сированных средах — молекулы (атомы)расположены з н ач и тельно бл и же друг к другу и взаимодействуют с и льнее.Это привод и т к сохран е нию жидкостями и твёрдыми телами своего объёма. Однак о, характер движения молекул в твёрдых телах и жидкостях различ ен , чем и объясняется раз ли чие и х с труктуры и свойств. У твёрдых тел в кристаллообразном состоя ни и атомы совершают лишь колебания вбл и зи узлов кристаллической решётки; структура этих т е л характеризуется высокой степенью упорядоченност и — дальним и ближ н им порядком.

Тепловое движение молекул (атомов) жидкост и представляет собой соч е тан и е малых колебаний около полож е ний равновесия и частых перескоков из одного положения равновес и я в другое.

Последние и обусловливают существован и е в жидкостях ли ш ь ближнего порядка в расположен и и частиц, а также свойст в ен н ые им подвижность и текучесть.

Плавление — это переход вещества из тверд о го агрегатного состояния в жидкое. Этот процесс происходит при нагревании, когда телу сообщают некоторое количество теплоты + Q . Например, легкоплавкий металл свинец переходит из твердого состояния в жидкое, если его на гр еть до температуры 327 С.Свинец запросто плавится на газовой плите, например в ложке из нержавеющей стали (известно, что температура пламени газовой горелки — 60 0 -850 ° С, а температура плавления стали — 1300-1500°С). 4. . Главное квантовое число определяет размеры электронной оболочки,т.е.наиболее вероятное расстояние от ядра атома-средний радиус электронного слоя(орбиты). Большее значение главного квантового числа соответствует большим размерам электронной оьолочки,и,следовательно,более высокой энергии электронов в атоме. Итак,возможные энергетические состояния электрона в атоме определяются величиной главного квантового числа n ,которое может принимать положительные целочисленные значения:1,2,3,4 и т.д.Состояние электрона,характеризуюжщееся определенным значением главного квантового числа,наз.энергетическим уровнем электрона в атоме. 5. 6. Волна, распространяясь от источника колебаний, охватывает все новые и новые области пространства.

Геометрическое место точек, до которых доходят колебания к моменту времени t , называется волновым фронтом.

Геометрическое место точек, колеблющихся в одинаковой фазе, называется волновой поверхностью ( поверхностью постоянных фаз, фазовой поверхностью). Волновых поверхностей можно провести бесчисленное множество, а волновой фронт в каждый момент времени - один. 7. Ранний период развития квантовой физики (1900-1924) характеризуется прежде всего формулировкой законов излучения в идеальной модели 'абсолютно черного' (т.е. не отражающего) тела и введением 'кванта действия' (М. Планк, 1900), открытием световых квантов и ' корпускулярно-волнового дуализма' (двойственной природы) света (А. Эйнштейн, 1905 и последующие работы), затем построением модели атома Бора (Н. Бор, 1913) и гипотезой Луи де Бройля о волновых свойствах электрона (1924). Ключевым моментом здесь является осознание ' корпускулярно-волнового дуализма' как универсального свойства материи.

Второй этап, начавшийся с 1925 года, характеризуется построением формальной теории, описывающей этот дуализм (В. Гейзенберг, М. Борн, П. Иордан, Э. Шредингер(уравнение Шредингера описывает взаимодействие электронов с ядрами атомов,описывет форму электронных оболочек атомов и ионов,химическую связь и строение молекул), П. Дирак, В. Паули, 1925-1927; Дж. фон Нейман, 1932; Р. Фейнман, 1946, и другие исследователи) и глубоким обдумыванием возникших в связи с этим концептуальных проблем ('принцип неопределенности' Гейзенберга, 'статистическая интерпретация волновой функции' Борна, 'принцип дополнительности ' Бора, и др.). Электромагнитные волны излучаются и поглощаются квантами,энергия каждого кванта пропорциональна частоте волны: E = hv . Квант электромагнитной энергии может поглощаться и излучаться отдельным атомом,то есть ведет себя подобно ' корпускупе',частице,получившей название ' фотон'.Корпускулярно-волновыми свойствами обладают не только фотоны и электроны,но и все микрочастицы.

Микрочастица с энергией Е= mc и импульсом p = m ведет себя подобно волне с частотой = E / h длинной волны = h / p ,где h -постоянная Планка. 8. В конце 19 века были открыты частички,много меньшие атома,которые были названы элементарными-т.е . те которые не состоят из других частиц.Потом оказалось,что микрочастицы двигаются и взаимодействуют по другим законам,по квантовой механике.