Джим Брейтот - 101 ключевая идея: Физика

• Название: 101 ключевая идея: Физика
• Автор: Джим Брейтот
• Издательство: ФАИР-ПРЕСС
• Жанр: Справочники
• Год: 2001
• ISBN: 5-8183-0357-8 (рус.); 0-340-79048-2 (англ.)

Цель книги — доступным и увлекательным способом познакомить читателя с физикой, привлечь внимание к знакомым предметам, раскрыть их незнакомые стороны.

Здесь объясняется 101 ключевая идея великой науки, расширяющей наши знания о мире. Факты и основные понятия физики изложены так, что развивают любознательность, помогают преодолеть косность рутинного мышления, обостряют интерес к вещам, не затрагивающим нашего существования, но без которых это существование уже не мыслится; а где есть интерес, там есть желание новых знаний. От читателя не потребуется особой подготовки, кроме способности воспринимать и удивляться. Статьи расположены в алфавитном порядке. Книга предназначена для широкого круга читателей, а также учащихся школ и вузов.

---

В темную материю могут входить и особые частицы — нейтрино, испускаемые звездами в больших количествах.

См. также статьи «Гравитационное поле 1 и 2», «Движение спутников».

ТЕМПЕРАТУРА

Температура — это мера теплоты объекта. Ее шкала определяется фиксированными точками отсчета, соответствующими температуре хорошо изученного явления.

Температурная шкала Цельсия определяется:

— точкой замерзания воды, соответствующей 0˚С;

— точкой кипения воды при атмосферном давлении, соответствующей 100˚С.

Абсолютная температурная шкала в Кельвинах (К) определяется:

— точкой абсолютного нуля (0˚К) — самой низкой возможной температурой;

— тройной точкой воды, соответствующей 273˚К, при которой три ее агрегатных состояния (твердое, жидкое и газообразное) сосуществуют.

Если учесть, что интервал между точками замерзания и кипения воды измеряется в 100˚К, а тройной точке воды соответствует 273˚К, то перевод из шкалы Цельсия в абсолютную шкалу производится по формуле: К = Т°С + 273.

Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики гласит: переданное системе тепло ΔQ равно сумме изменения внутренней энергии ΔU системы и работы ΔW, проделанной системой: ΔQ = ΔU +ΔW.

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 (ΔQ = 0). Отсюда при адиабатическом изменении ΔU +ΔW = 0. Следовательно, если тело или система тел при этом процессе производит работу ΔW, его внутренняя энергия уменьшается согласно формуле ΔU = — ΔW.

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 рΔV, где V — изменение объема. Следовательно, при изотермическом процессе в идеальном газе ΔU = 0 и ΔQ = pΔV.

См. также статьи «Агрегатные состояния вещества», «Идеальные газы», «Энтропия».

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.

Удельной теплоемкостью материала называется количество энергии, необходимое для повышения температуры единицы его массы на один градус. Чтобы повысить температуру тела массой m с Т1 на Т2, нужно передать ему энергию Е = mc(T2 — Т1), где с — удельная теплоемкость материала. Единицей теплоемкости с служит Дж/кг К или Дж/моль К.

Удельной теплотой фазового перехода твердого или жидкого тела называется количество энергии, необходимое для того, чтобы единица массы материала перешла из одного состояния в другое без изменения температуры. Для изменения состояния тела массой m при постоянной температуре нужно передать ему энергию ΔЕ = mI, где I — удельная фазовая теплота плавления, испарения или сублимации (перехода непосредственно из твердого в газообразное состояние, минуя стадию жидкости) данного материала. Единицей I служит Дж/кг или Дж/моль.

Тепловым расширением называется процесс изменения размеров твердого тела при нагревании. При повышении температуры твердого или жидкого тела его частицы совершают колебания с большей средней амплитудой, что и служит причиной расширения объема тела. Увеличение размеров пропорционально начальным размерам и изменению температуры. Коэффициентом линейного расширения материала α называется отношение увеличения линейных размеров к единицам длины и температуры. Единицей α служит К-1. Если тело длиной L нагревать от температуры Т1 до температуры Т2, то увеличение длины составит Δ L = αL (Т2 — Т1).

См. также статьи «Агрегатные состояния вещества», «Температура».

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.

См. также статьи «Агрегатные состояния вещества», «Температура».

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.