Задача на первое начало термодинамики

Сосуд, заполненный молекулярным азотом, накрыт сверху способным перемещаться без трения поршнем массой М с площадью поперечного сечения S. Газ в сосуде нагревается с помощью электрической цепи, по которой системе передано δQ теплоты. На какую высоту поднимется поршень, если атмосферное давление равно p₀ ?

1

Условие равновесия поршня

2

Первое начало термодинамики

3

Работа по расширению газа

4

Изменение внутренней энергии газа при нагревании

5

Следствие из уравнения состояния идеального газа

6

Следствие (4) и (5)

7

Высота подъема поршня

Ответ: поршень поднимется на

На космической станции вышел из строя модуль климатического контроля. В результате температура в жилом модуле станции объемом 35 м³ поднялась до отметки 30⁰С, а относительная влажность воздуха составила η₁ = 10%. Сколько литров воды следует выплеснуть в атмосферу станции космонавтам для обеспечения более комфортных условий работы путем создания воздушной среды с относительной влажностью η₂ = 90%? Сколько влаги в виде конденсата выделится на станции в случае падения температуры воздуха станции до 10⁰С. Объем станции герметичен, экипаж работает в изолирующих скафандрах. Давления насыщенных паров воды при 30⁰С и при 10⁰С равны соответственно p₃₀ = 4.24 кПа и p₁₀=1.23 кПа

1

Парциальное давление паров воды на станции до выпаривания

2

Масса воды в парообразном состоянии до испарения воды.

3

Масса воды в парообразном состоянии после испарения воды.

4

Масса выпаренной воды.

5

Максимальная масса воды в насыщенных парах после понижения температуры.

6

Масса конденсата

Ответ: необходимо испарить =850 (г) воды масса выпадающего после похолодания конденсата составит

Введение

Понятие электромагнитных взаимодействий и электростатических взаимодействий.

1.

Понятие электрического заряда на микро-уровне.

2.

Два типа электрических зарядов.

3.

Закон сохранения электрических зарядов.

4.

Дискретность электрических зарядов.

5.

Принцип суперпозиции.

6.

Закон Кулона.

(*)

Приближенный характер закона Кулона.

7.

Опыты Иоффе- Милликена

Пример

Планетарная модель атома Резерфорда

Введение

Концепции дальнодействия и близкодействия.

1.

Электрическое поле как переносчик электрических взаимодействий.

2.

Вектор напряженности электрического поля.

(*)

Способы изображения пространственных распределений электростатических полей.

3.

Линии напряженности электрического поля.

4.

Принцип суперпозиции электрических полей.

5.

Понятие потока и циркуляции векторного поля.

6.

Теорема Гаусса для вектора напряженности электрического поля.

(*)

Интегральная и дифференциальная формы записи уравнений электростатики вакуума

7.

Электрическое поле сферически симметричных распределений заряда. Картины силовых линий и графики E_x(x).

8.

Электрическое поле равномерно заряженной плоскости и плоского конденсатора. . Картины силовых линий и графики E_x(x).

9

Электрическое поле плоского конденсатора. Картины силовых линий и графики E_x(x).

(*)

Напряженность электрического поля систем с цилиндрической симметрией. . Картины силовых линий и графики E_x(x).

10.

Симметрия между уравнениями электростатики и классической теории тяготения

Пример

Модель атома Томсона и мезоатом.

Введение

Возможность упрощения расчетов напряженности электростатического поля за счет учета его центральности.

1.

Потенциальная энергия заряда электростатическом поле.

2.

Электрический (скалярный) потенциал.

3.

Принцип суперпозиции для скалярного потенциала, создаваемого системой зарядов.

4.

Разность потенциалов и ее связь с напряженностью электростатического поля.

Напряжение.

(*)

Восстановление напряженности электрического поля по известному потенциалу.

(*)

Уравнение Пуассона для скалярного потенциала

5.

Эквипотенциальные поверхности. Картины эквипотенциальных поверхностей для однородного поля и сферически симметричных распределений заряда.

6.

Частный случай однородного электрического поля.

Пример

Использование плоских конденсаторов для управления пуками заряженных частиц в ЭЛТ.

Введение

Вещество с токи зрения электромагнетизма. Индуцированные заряды.

1.

Проводники и и их электростатические свойства.

2.

Электростатическая защита.

3.

Точеный заряд близи плоской поверхности проводника.

4.

Метод изображений.

(*)

Примеры использования метода изображений для расчета электростатических полей при наличии проводников.

5.

Электрический диполь и его поведение во внешнем электрическом поле.

6.

Механизмы поляризации диэлектриков.

(*)

Описание электростатических полей в диэлектриках с помощью векторов E, P и D. Диэлектрическая проницаемость.

(*)

Теорема Гаусса для вектора D и ее использование для расчета электростатических полей в диэлектриках.

(*)

Связь задач электростатики диэлектриков и электростатики проводников.

(*)

«Экзотические» диэлектрики

Пример

Примеры конфигураций электростатических полей при наличии проводников и диэлектриков в простейших случаях.

Введение

Система заряженных частиц обладает энергией… опрос в том, где эта энергия располагается.

1.

Емкость уединенного проводника.

(*)

Емкость металлического шарика. Единицы емкости

2.

Взаимная емкость двух проводников. Емкость плоского конденсатора.

3.

Параллельное и последовательное соединение конденсаторов.

4.

Потенциальная энергия системы точечных неподвижных зарядов.

(*)

Потенциальная энергия непрерывно распределенного заряда. Энергия заряженного проводника.

5.

Энергия заряженного конденсатора.

6.

Объемная плотность энергии электрического поля.

(*)

Проблема существования точеного заряда.

Пример

Сферический или цилиндрический конденсатор.

Введение

Трудности формулировки закона Ома.

1.

Описание направленного движения зарядов. Сила тока и плотность тока.

(*)

Математическая запись закона сохранения заряда.

2.

Классическая модель проводника. Электронный газ.

3.

Дифференциальная и интегральная формы записи закона Ома для пассивного участка цепи.

4.

Электрическое сопротивление и его зависимость от геометрических параметров проводника

5.

Удельное сопротивление и его зависимость от температуры.

6.

Трудности классической теории электропроводности металлов.

(*)

Понятие о современных представлениях о механизме электропроводности.

Пример

Использование дифференциальной формы закона Ома для расчетов цепей с распределенными параметрами.

Введение

Недостаточность электростатических сил для обеспечения протекания тока по электрической цепи.

1.

Классическая теория протекания тока по активному (неоднородному) участку цепи

2.

ЭДС

3.

Закон Ома для активного (неоднородного) участка цепи.

4.

Закон Ома для замкнутой цепи.

5.

Короткое замыкание

(*)

Механизмы создания ЭДС.

Пример

Параллельное и последовательное соединения источников ЭДС.

Введение

Практическая важность развития методов расчетов цепей постоянного тока (методы обобщаются на переменный ток)

1.

Последовательное соединение проводников.

2.

Параллельное соединение проводников.

3.

Правила Кирхгофа.

4.

Шунт.

5.

Добавочное сопротивление

6.

Идеальные вольтметр и амперметр.

7.

Мостик Уитстона.

8.

Реостат и потенциометр. Регулировка токов и напряжений

(*)

Эквивалентные схемы

9.

Бесконечные «лестницы» и «сетки»

Пример

«Коронная» задача электротехники.

Введение

Современная энергетика и техника преимущественно используют электричество, как наиболее универсальный и удобный для производства, транспортировки потребления экологически чистый вид энергоносителей.

1.

Определение силы тока.

2.

Определение понятий разности потенциалов и напряжения.

3.

Работа электрического тока по перемещению заряда по участку цепи.

4.

Мощность электрического тока.

5.

Закон Джоуля-Ленца.

6.

КПД электрических цепей постоянного тока.

7.*

Активное и реактивное сопротивления

8.*

КПД электрических цепей переменного тока.

Пример

Простейшая электрическая схема (источник питания-резистор) с максимально возможным КПД

Введение

Отличия между взаимодействиями покоящихся и движущихся зарядов.

1.

Основные эксперименты, демонстрирующие различные типы магнитных взаимодействий.

2.

Понятие магнитного поля.

3.

Вектор магнитной индукции как характеристика магнитного поля.

4.

Линии магнитной индукции.

5.

Магнитное поле равномерно движущегося заряда.

6.

Магнитное поле системы равномерно движущихся зарядов и его связь с электрическим полем подобной системы

7.

Магнитное поле заданного распределения токов.

8.

Закон Био-Савара-Лапласа

9.

Магнитное поле витка с током.

10.

Магнитное поле прямого провода с током

Пример

Различные способы вычисления магнитного поля прямого бесконечного провода с током.

Введение

Электростатика и магнитостатика

1.

Понятие магнитного поля.

2.

Способы определения вектора В.

3.

Сила Лоренца

4.

Сила Ампера

(*)

Рамка с током в магнитном поле.

5.

Движение заряженных частиц в магнитном поле.

(*)

Фокусировка магнитным полем

(*)

Масс-спектроскопия.

(*)

Движение заряженных частиц постоянных электрическом и магнитном полях

(*)

Невозможность корректного описания магнитных взаимодействий на языке классической физики. Релятивистская природа магнитных заимодействий.

Пример

Ускорители заряженных частиц.

Введение

Интегральные характеристике векторных полей. Потенциальные и соленоидальные поля.

1.

Вектор магнитной индукции и линии вектора В.

(*)

Поле В, создаваемое равномерно движущимся зарядом и системой равномерно движущихся с одинаковой скоростью зарядов.

2.

Поток вектора В через замкнутую поверхность.

(*)

Проблема магнитного монополя.

(*)

Понятие о векторном потенциале.

(*)

Уравнение Пуассона для векторного потенциала. Связь задач электростатики и магнитостатики.

3.

Теорема о циркуляции вектора В.

4.

Взаимодействие двух прямых бесконечных проводов с током.

5.

Определение единицы силы тока и единицы заряда в системе СИ

6.

Магнитное поле соленоида.

7.

Магнитное поле тороидальной катушки.

(*)

Магнитное поле магнитного диполя

Пример

Магнитное поле постоянных магнитов

Введение

Фарадей и Максвелл показали, то между электрическими и магнитными полями существует тесная связь.

1.

ЭДС деформируемом контуре

2.

Индукционный ток.

3.

Правило Ленца

4.

Вихревое электрическое поле

(*)

Асимметрия закона Фарадея в классической физике

5.

Сила Лоренца как сторонняя сила в источнике ЭДС

6.

Производство электроэнергии

7.

Диамагнетизм

(*)

Торможение индукционными токами.

Пример

Бетатрон

Введение

Аналогии между электрическими и магнитными взаимодействиями

1.

Взаимная индукция.

2.

Трансформатор

3.

Самоиндукция. Индуктивность

4.

Пример: индуктивность соленоида.

(*)

Индуктивность тороидальной катушки

5.

Электрическая цепь с резистором и индуктивностью

6.

Энергия, запасенная в катушке с током.

7.

Энергия и объемная плотность энергии магнитного поля.

(*)

Описание магнитных полей в веществе с помощью векторов В, М и Н

8.

Основные типы магнетиков: сверхпроводники, диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики.

(*)

Проблемы классического описания магнитных свойств вещества.

Пример

Левитация в магнитном поле. Магнитный подвес.