21. Основные законы термодинамики. Цикл Карно.

Термодинамика – наука о тепловых процессах и превращении тепловой энергии в другие виды энергии. Зародилась в 50е гг. 19 в.

При изучении тепловых явлений были сформулированы два основных закона термодинамики, которые называются началами термодинамики. Первое начало термодинамики – количество теплоты, сообщенное системе равно сумме приращения её внутренней энергии и совершенной механической работы: Q=ΔU+A. Второе начало термодинамики – тепло не может самопроизвольно перетекать от холодного тела к горячему; нельзя построить вечный двигатель, который совершал бы полезную работу только за счет охлаждения теплового резервуара;

Третий закон - энтропия (S) любой системы стремится к конечному для неё пределу, не зависящему от давления, плотности или фазы, при стремлении температуры (Т) к абсолютному нулю. (нельзя достичь температуры абсолютного нуля; )

Цикл Карно.

Цикл Карно́ — идеальный термодинамический цикл. Тепловая машина Карно, работающая по этому циклу, обладает максимальным КПД из всех машин, у которых максимальная и минимальная температуры осуществляемого цикла совпадают соответственно с максимальной и минимальной температурами цикла Карно. Состоит из 2 адиабатических и 2 изотермических процессов.

Цикл Карно назван в честь французского военного инженера Сади Карно, который впервые его исследовал в 1824 году.

Одним из важных свойств цикла Карно является его обратимость: он может быть проведён как в прямом, так и в обратном направлении, при этом энтропия адиабатически изолированной (без теплообмена с окружающей средой) системы не меняется.

Описание цикла Карно

Цикл Карно состоит из четырёх стадий:

Изотермическое расширение (на рисунке — процесс A→Б). В начале процесса рабочее тело имеет температуру нагревателя. Затем тело приводится в контакт с нагревателем, который изотермически передаёт ему количество теплоты. При этом объём рабочего тела увеличивается.

Адиабатическое расширение (на рисунке — процесс Б→В). Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура уменьшается до температуры холодильника.

Изотермическое сжатие (на рисунке — процесс В→Г). Рабочее тело, имеющее к тому времени температуру, приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься, отдавая холодильнику количество теплоты.

Адиабатическое (изоэнтропическое) сжатие (на рисунке — процесс Г→А). Рабочее тело отсоединяется от холодильника и сжимается без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя.

При изотермических процессах температура остаётся постоянной, при адиабатических отсутствует теплообмен, а значит, сохраняется энтропия.

Энтропия – такая физическая величина, приращение которой ΔS равно количеству тепла ΔQ, полученному системой, деленному на абсолютную температуру. ΔS = ΔQ / Т.

ЭНТРОПИЯ – функция состояния термодинамической системы, характеризующая направление протекания самопроизвольных процессов в этой системе и являющаяся мерой их необратимости.

22. Зарождение и развитие квантовых представлений в естествознании. Корпускулярно-волновой дуализм. Принципы дополнительности и неопределенности.

В конце XIX века казалось, что физическая картина мира в основном создана. Успехи ньютоновской механики и максвелловской электродинамики были столь грандиозны, что решение оставшихся проблем считалось "делом техники" и ближайшего будущего. Среди этих проблем был и на первый взгляд частный вопрос о спектрах излучения нагретых тел. Многочисленными экспериментальными наблюдениями было установлено, что все нагретые тела излучают электромагнитные волны (в том числе, свет), причем в спектре этого излучения имеется ярко выраженный максимум. М.Планк в 1900 г. выдвинул смелую идею о том, что нагретое тело излучает электромагнитные волны "порциями" (квантами). Энергия Е каждой такой "порции" определяется не амплитудой волны, а ее частотой Е = hn, где h постоянная, которую в дальнейшем назвали постоянной Планка. В этом случае средняя энергия излучения не остается постоянной, а уменьшается с ростом частоты. Именно А. Эйнштейн первым подхватил идею Планка, предположив, что электромагнитные волны не только излучаются квантами, но и поглощаются квантами. Стало ясно, что электромагнитное поле имеет двойственную корпускулярно-волновую природу: в одних экспериментах оно ведет себя как электромагнитная волна, в других - как поток "частиц" (квантов), которые назвали фотонами.

Бором, в новой теории атома предположил, что: 1) электроны в атоме находятся на вполне определенных орбитах с энергиями Еn, (n = 1, 2 ...), не излучая при этом электромагнитных волн (хотя с точки зрения классической электродинамики любая ускоренно движущаяся заряженная частица должна это делать); 2) при мгновенном переходе с орбиты Еm на орбиту Еn испускается (при n > m) или поглощается (при n < m) квант света hn с энергией, равной разности энергий электрона на соответствующих орбитах hn = Еm – En.

эксперименты Дэвиссона и Джермера наглядно показали, что корпускулярно-волновой дуализм характерен не только для электромагнитного поля, но и для вещества (принцип дополнительности). Используя эту концепцию, Э. Шредингер, В. Гейзенберг, М. Борн и П. Иордан в 1925 - 1926 г.г. разработали новый подход к описанию движения микрочастиц в атоме - квантовую механику, в основе которой лежат совершенно иные, чем в классической физике, способы описания состояний и динамики их изменений (принцип неопределенности).

Квантовая механика как прикладная наука. Примеры

Законы Квантовой механики составляют фундамент изучения строения вещества. Они позволили выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, понять строение ядер атомных, изучать свойства элементарных частиц. Поскольку свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием частиц, из которых они состоят, законы Квантовой механики лежат в основе понимания большинства макроскопических явлений. Квантовая механика позволила, например, объяснить температурную зависимость и вычислить величину теплоёмкости газов и твёрдых тел, определить строение и понять многие свойства твёрдых тел (металлов, диэлектриков, полупроводников). Только на основе Квантовой механики удалось последовательно объяснить такие явления, как ферромагнетизм, сверхтекучесть, сверхпроводимость, понять природу таких астрофизических объектов, как белые карлики, нейтронные звёзды, выяснить механизм протекания термоядерных реакций в Солнце и звёздах. Существуют также явления (например, Джозефсона эффект), в которых законы Квантовой механики непосредственно проявляются в поведении макроскопических объектов.

Ряд крупнейших технических достижений 20 в. основан по существу на специфических законах Квантовой механики. Так, квантово-механические законы лежат в основе работы ядерных реакторов, обусловливают возможность осуществления в земных условиях термоядерных реакций, проявляются в ряде явлений в металлах и полупроводниках, используемых в новейшей технике, и т.д. Фундамент такой бурно развивающейся области физики, как квантовая электроника, составляет квантовомеханическая теория излучения. Законы Квантовой механики используются при целенаправленном поиске и создании новых материалов (особенно магнитных, полупроводниковых и сверхпроводящих). Таким образом, Квантовая механика становится в значительной мере "инженерной" наукой, знание которой необходимо не только физикам-исследователям, но и инженерам.

23. Фундаментальные взаимодействия и стандартная модель элементарных частиц.

В настоящее время известны четыре фундаментальных (т.е. не сводящихся друг к другу) взаимодействия, которые и определяют иерархию элементарных частиц. Рассмотрим эти взаимодействия в порядке уменьшения их "интенсивности". Сильное взаимодействие имеет характер притяжения между большинством элементарных частиц, в частности, оно обеспечивает связь нуклонов (протонов и нейтронов) в атомных ядрах; проявляется только на очень малых расстояниях, сравнимых с размерами ядер (~10-13 см), т.е. является короткодействующим и на этих расстояниях существенно (более чем в сто раз) превосходит электромагнитное взаимодействие. Электромагнитное взаимодействие обусловливает связь заряженных частиц в атомах и молекулах; осуществляется на значительных расстояниях, описывается известными законами электричества и магнетизма. Слабое взаимодействие проявляется при распаде некоторых квазистабильных элементарных частиц (например, при b-распаде нейтрона) осуществляется на очень малых расстояниях (~ 10-16 см); играет важную роль в термоядерных реакциях, поэтому активно участвует в эволюции звезд и других космических объектов. Наконец, гравитационное взаимодействие является самым универсальным, так как осуществляется между всеми материальными объектами. Оно действует на очень больших расстояниях (10-33 см (так называемая "планковская длина")), однако, в силу своей малости, играет несущественную роль в микромире. С другой стороны, гравитация является основным фактором, определяющим поведение объектов мегамира. Все эти взаимодействия в масштабах микромира имеют по своей природе квантовый характер. Это означает, что в соответствии с современными представлениями, каждое из них осуществляется путем обмена квантами соответствующего поля.

Стандартная модель классификации эл.ч.

В масштабах микромира разница между частицами вещества и частицами поля практически теряется, поэтому в соответствие со стандартной общепринятой моделью все известные элементарные частицы делятся на 2 класса. Частицы первого класса делятся на адроны (участвуют во всех фундаментальных взаимодействиях) и лептоны (не участвуют в сильных взаимодействиях). К адроном относиться очень много элементарных частиц, и очень часто они имеют своего двойника – античастицу. Лептоны это шесть элементарных частиц электрон, мюон, таон и связанные с ними 3 нейтрито. Все они так же имеют античастицу. Лептоны весьма похожи друг на друга по некоторым свойствам.

Рассматриваемая стандартная модель предполагает, что все адроны являются суперпозицией нескольких кварков и антикварков. Кварки различаются по свойствам, многие из которых не имеют аналогов в макромире. Различные кварки обозначаются буквами латинского алфавита: u ("up" ), d ("down"), c ("charm"), b ("beauty"), s ("strange"), t ("truth"). каждый из перечисленных кварков может существовать в трех состояниях, которые называются "цветом": "синем", "зеленом" и "красном".

Частицы переносчики взаимодействий включают в себя 8 глюонов, ответственных за слияние кварков, фотон, осуществляющий электромагнитное взаимодействие, промежуточные бозоны, ими обмениваются слабо-взаимодействующие частицы и гравитон участвует в гравитационном взаимодействие частиц.