Учебные пособия по основам физики

Второй закон термодинамики

Для объяснения необратимых термодинамических процессов учёные сформулировали второй закон термодинамики. Второй закон термодинамики объясняет, какие процессы могут происходить во Вселенной, а какие — нет. Один из учёных, Р. Дж. Э. Клаузиус (1822–1888), сделал следующее утверждение:

Естественно, тепло передается от объектов с высокой температурой к объектам с низкой температурой; естественно, тепло не передается от объектов с низкой температурой к объектам с высокой температурой (второй закон термодинамики — утверждение Клаузиуса).

Утверждение Клаузиуса — одно из частных утверждений второго закона термодинамики. Оно называется частным, потому что применимо только к одному процессу, связанному с теплопередачей. Поскольку это утверждение не относится к другим процессам, нам необходимо более общее утверждение. Разработка общего утверждения второго закона термодинамики основана на изучении тепловых двигателей. Поэтому сначала мы рассмотрим теплопередачу в двигателях.

Термодинамические процессы: изотермические, адиабатические, изохорические, изобарические

Статья «Термодинамические процессы: изотермические, адиабатические, изохорические, изобарические»

Существует четыре термодинамических процесса: изотермический, изохорический, изобарический и адиабатический.

Изотермический процесс (постоянная температура)

В изотермическом процессе температура системы поддерживается постоянной. Теоретически, анализируемая система представляет собой идеальный газ. Температура идеального газа прямо пропорциональна внутренней энергии идеального газа (U = 3/2 n RT). T не изменяется, следовательно, U также не изменяется. Таким образом, если применить это к изотермическому процессу, первый закон термодинамики примет следующий вид:

Первый закон термодинамики

Термодинамический процесс

Тепло (Q) — это энергия, которая передается от одного объекта к другому из-за разницы температур. В контексте систем и окружающей среды тепло — это энергия, перемещающаяся из системы в окружающую среду или из окружающей среды в систему из-за разницы температур. Если температура системы выше температуры окружающей среды, тепло будет перетекать из системы в окружающую среду. Если температура окружающей среды выше температуры системы, то тепло будет перетекать из окружающей среды в систему.

Тепло (Q) — это энергия, которая перемещается за счет разницы температур, тогда как работа (W) связана с передачей энергии посредством работы. Например, если система совершает работу над окружающей средой, то энергия перемещается из системы в окружающую среду. И наоборот, если окружающая среда совершает работу над системой, то энергия перемещается из окружающей среды в систему.

Неупругие столкновения

Закон сохранения кинетической энергии неприменим к неупругим столкновениям. Закон сохранения импульса применим к неупругим столкновениям, если на два сталкивающихся объекта не действуют внешние силы. При неупругом столкновении два объекта слипаются или соединяются друг с другом после столкновения.

Пример вопроса 1.

Два объекта имеют одинаковую массу, а именно 1 кг. Объект 1 движется по плоской поверхности со скоростью 10 м/с и сталкивается с объектом 2, который находится в состоянии покоя. После столкновения два объекта слипаются. Какова скорость двух объектов после столкновения?

Частично упругие столкновения

При частично упругих столкновениях применим закон сохранения импульса, тогда как закон сохранения кинетической энергии неприменим. В момент столкновения часть кинетической энергии преобразуется в звуковую энергию, тепловую энергию и внутреннюю энергию. Использование слова «упругое» указывает на то, что после столкновения два объекта не слипаются, а отскакивают друг от друга.

Примером частично упругого столкновения является одномерное столкновение двух шариков или двух бильярдных шаров.

Сохранение линейного импульса

Закон сохранения линейного импульса гласит, что если на два сталкивающихся объекта не действует внешняя сила, то импульс объектов до столкновения равен импульсу объектов после столкновения.

p ₁ + p ₂ = p ₁ ' + p ₂ ' ………………….. Уравнение 1.4

м ₁ v ₁ + м ₂ v ₂ = м ₁ v ₁ ' + м ₂ v ₂ '

Если после столкновения оба объекта слипнутся,

м ₁ v ₁ + м ₂ v ₂ = (м ₁ + м ₂ ) v'

Совершенно упругие столкновения

Столкновение двух объектов называется абсолютно упругим, если импульс или кинетическая энергия каждого объекта до столкновения равны импульсу и кинетической энергии каждого объекта после столкновения. Другими словами, в абсолютно упругих столкновениях применимы закон сохранения импульса и закон сохранения кинетической энергии. Использование слова «упругое» указывает на то, что после столкновения два объекта не слипаются и не прикрепляются друг к другу, а отскакивают. Импульс каждого объекта сохраняется.

Импульс каждого объекта сохраняется.

Принцип работы-механической энергии

Теорема о работе и кинетической энергии гласит, что результирующая работа, или работа, совершаемая результирующей силой, равна изменению кинетической энергии.

W _net = TO _t – TO _o = 1⁄2 m(v _t² – v _o² )

Чистая работа (W _net ) = Существует два типа сил: консервативная сила и неконсервативная сила. Таким образом, чистая работа может рассматриваться как совокупность работы, совершаемой консервативной силой, и работы, совершаемой неконсервативной силой.

W _c + W _nc = ΔKE

Работа, совершаемая консервативными силами. Потенциальная энергия.

Рассмотрим объект, который движется вертикально вверх, а затем возвращается в исходное положение, достигнув максимальной высоты. При вертикальном движении объекта вверх над ним совершается отрицательная работа. При движении вверх высота объекта увеличивается. Следовательно, гравитационная потенциальная энергия объекта также увеличивается. Можно сделать вывод, что отрицательная работа, совершаемая над объектом, равна увеличению гравитационной потенциальной энергии объекта.

Консервативная сила и неконсервативная сила

1. Консервативная сила

1.1 Вес (w)

Консервативная сила и неконсервативная сила 1 Рассмотрим объект, который движется вертикально вверх до достижения максимальной высоты, а затем движется вниз, к своему исходному положению. При вертикальном движении вверх на высоту h сила тяжести действует в направлении, противоположном направлению перемещения. Следовательно, сила тяжести совершает отрицательную работу над объектом.

W = wh (cos 180 ^° ) = – wh = – mgh

После достижения максимальной высоты объект движется вниз к своему исходному положению на величину h. При движении вниз сила тяжести направлена в ту же сторону, что и перемещение. Поскольку она направлена в ту же сторону, что и перемещение, сила тяжести совершает положительную работу.