Сборник задач по физике Курс лекций по физике Оптика Кинематика Теплопроводность

Лекции по физике теория газов

Теплотехнические устройства

Теплота, кинетическая часть внутренней энергии вещества, определяемая интенсивным хаотическим движением молекул и атомов, из которых это вещество состоит. Мерой интенсивности движения молекул является температура. Количество теплоты, которым обладает тело при данной температуре, зависит от его массы; например, при одной и той же температуре в большой чашке с водой заключается больше теплоты, чем в маленькой, а в ведре с холодной водой его может быть больше, чем в чашке с горячей водой (хотя температура воды в ведре и ниже).

Теплота играет важную роль в жизни человека, в том числе и в функционировании его организма. Часть химической энергии, содержащейся в пище, превращается в теплоту, благодаря чему температура тела поддерживается вблизи 37 градусов Цельсия. Тепловой баланс тела человека зависит также от температуры окружающей среды, и люди вынуждены расходовать много энергии на обогрев жилых и производственных помещений зимой и на охлаждение их летом. Большую часть этой энергии поставляют тепловые машины, например котельные установки и паровые турбины электростанций, работающих на ископаемом топливе (угле, нефти) и вырабатывающих электроэнергию.

До конца 18 в. теплоту считали материальной субстанцией, полагая, что температура тела определяется количеством содержащейся в нем «калорической жидкости», или «теплорода». Позднее Б.Румфорд, Дж.Джоуль и другие физики того времени путем остроумных опытов и рассуждений опровергли «калорическую» теорию, доказав, что теплота невесома и ее можно получать в любых количествах просто за счет механического движения. Теплота сама по себе не является веществом – это всего лишь энергия движения его атомов или молекул. Именно такого понимания теплоты придерживается современная физика.

Теплопередача и теплообмен

Теплопередача – это процесс переноса теплоты внутри тела или от одного тела к другому, обусловленный разностью температур.

Теплопроводность – это перенос тепла в результате непосредственного соприкосновения между молекулами вещества

при их тепловом движении.

Интенсивность переноса теплоты зависит от свойств вещества, разности температур и подчиняется экспериментально установленным законам природы. Чтобы создавать эффективно работающие системы нагрева или охлаждения, разнообразные двигатели, энергоустановки, системы теплоизоляции, нужно знать принципы теплопередачи. В одних случаях теплообмен нежелателен (теплоизоляция плавильных печей, космических кораблей и т.п.), а в других он должен быть как можно больше (паровые котлы, теплообменники, кухонная посуда).

Три основных вида передачи тепла

Теплообмен (теплопередача)

Турист остановился отдохнуть. Живительное тепло костра согревает и похлебку в котелке, и самого туриста. Физик по этому поводу скажет: внутренняя энергия сгорающих дров переходит во внутреннюю энергию окружающих тел: воздуха, котелка, туриста. Другими словами, происходит теплообмен.

Внутренняя энергия костра путем теплопроводности через дно и стенки котелка переходит во внутреннюю энергию туристкой похлебки. Путем излучения - во внутреннюю энергию туриста. А путем конвекции - во внутреннюю энергию дыма.

На рисунке представлены три способа теплообмена: теплопроводность, излучение и конвекция. Путем теплопроводности через дно и стенки котелка внутренняя энергия пламени переходит во внутреннюю энергию туристской похлебки. Путем излучения – во внутреннюю энергию ладоней туриста и его одежды. А путем конвекции – во внутреннюю энергию воздуха над костром.

Еще в конце XVII века английский физик И. Ньютон обнаружил простую закономерность: мощность теплообмена между двумя телами тем больше, чем сильнее отличаются их температуры. Другими словами, чем больше разница температур тел, участвующих в теплообмене, тем с большей скоростью он протекает (то есть в единицу времени передается больше теплоты).

У этой общей закономерности есть простой частный случай: если температуры тел не отличаются, то мощность теплообмена будет равна нулю. Другими словами, если тела имеют равные температуры, то теплообмена не будет вообще. Например, если в воду с температурой 0 °С бросить кусок льда такой же температуры, то передача теплоты между ними происходить не будет: ни лед не начнет таять, ни вода не станет замерзать вокруг льда.

Существуют три основных вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и лучистый теплообмен.

Античастицы

 В микромире каждой частице соответствует античастица.

  Например первая античастица – позитрон (антиэлектрон) была обнаружена в 1935 г., его заряд равен +е. В вакууме позитрон столь же стабилен, что и электрон. Однако при встрече электрона с позитроном эти частицы аннигилируют, т.е. превращаются в два, три или несколько g-квантов(но не в один, т.к. в этом случае нарушился бы закон сохранения импульса). Существует обратный процесс: g-квант может породить пару электрон-позитрон, но только в присутствии третьего тела, например атомного ядра.

 В 1955 г. были открыты антипротоны. Антипротоны отличается от протона р знаком электрического заряда и собственного магнитного момента. Антипротон может аннигилировать не только с протоном, но и нейтроном.

 В 1956 г. были обнаружены антинейтроны. Антинейтрон отличается от нейтрона n знаком собственного магнитного момента. Он аннигилирует при встрече с нуклоном(нейтроном и протоном). Можно было бы и дальше перечислять античастицы.

 Заметим, что существуют частицы, тождественные со своими античастицами, т.е. они не имеют античастиц. Такие частицы называют абсолютно нейтральными, например фотон, p0-мезон и h-мезон.

12.4. Кварки

 В 1964 г. Гелл-Манн и независимо от него Цвейг выдвинули гипотезу, подтвержденную дальнейшими исследованиями, что все элементарные частицы, участвующие в сильном взаимодействии (их относят к классу адронов) построены из трех более фундаментальных частиц, которые по предположению Гелл-Манна были названы кварками (Цвейг их назвал тузами). Три сорта кварков были обозначены буквами u (от англ. up – вверх), d(от англ.down – вниз), s(от англ. strange – странный). Предполагается, что кварки имеют дробный электрический заряд, равный е/3, т.е. меньше заряда е, который раньше считался элементарным (минимальным). Позднее были установлены еще три кварка: очарованный с, красивый или прелестный b и истинный t кварк. Этим 6 кваркам соответствует 6 антикварков.

 В заключение отметим, что за последние 25-30 лет в физике элементарных частиц произошли революционные открытия, которые приближают к созданию теории Великого объединения – теории, которая объединит 4 типа взаимодействия (сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное) в одно взаимодействие с единой природой всех сил. В настоящее время уже создана теория, в которой электромагнитное и слабое взаимодействия объединены в единое электрослабое взаимодействие. Создание теории Великого объединения является главной проблемой современной физики.

Количество теплоты. Единицы измерения количества теплоты. Количество теплоты - энергия, которую тело теряет или получает при теплопередаче. Единица измерения: Джоуль, по определению. Опыт: Количество теплоты, необходимое для нагревания тела (или выделяемое им при остывании), зависит: " от рода вещества, из которого состоит тело, " от массы этого тела, " от величины изменения его температуры.
На главную