Материал: Методические указания к решению задач и выполнению контрольной работы № 1 по физике для студентов всех технических направлений подготовки. Москаленко А.Г., Гаршина М.Н

будем иметь

Наконец, заменяя момент инерции шара его значением , найдем .

Задача 9. Тонкий стержень массой m и длинной L подвешен за один конец и может вращаться без трения. К той же оси подвешен на нити шарик такой же массы. Шарик отклоняется на некоторый угол и отпускается. При какой длине нити шарик после удара о стержень остановится? Удар абсолютно упругий.

Решение

В соответствии с законом сохранения момента импульса для системы шарик-стержень, будет иметь

, (1)

где I-момент инерции стержня относительно его оси вращения. По теории Штейнера

С учетом этого уравнение (1) приводится к виду

При абсолютно упругом ударе выполняется закон сохране- ния механической энергии, в соответствии с которым

,

или после преобразования

. (2)

Решая систему уравнений (1) и (2), найдем

.

2. Молекулярная физика и термодинамика

2.1. Основные формулы

1. Уравнения состояния идеального газа

рV =( m/M) RT - уравнение Менделеева – Клапейрона

2. Уравнение состояния реального газа

(р+a/V_м²)(V_м-b)=RT -уравнение Ван-дер-Ваальса (для моля),

где М - молярная масса; а и b - константы Ван-дер-Ваальса.

3. Закон Дальтона

,

где р_{i -} парциальное давление газа.

4. Барометрическая формула

р = р₀ е^-Mgh/RT.

5. Основное уравнение кинетической теории:

р = 2/3 n<w_к>,

где <W_к> = m₀ < υ_кв >²/2 - средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы газа; n - число молекул газа в единице объема.

6. Cредняя кинетическая энергия молекулы газа:

<W_к> = i/2 kT,

где i - число степеней свободы молекулы.

7. Скорость молекул:

- средняя квадратичная скорость поступательного движения молекул

;

- средняя арифметическая

;

- наиболее вероятная

,

где m - масса одной молекулы, М – масса моля.

8. Распределение молекул газа по скоростям (распреде- ление Максвелла):

где dn - число молекул идеального газа из общего числа n, имеющих при температуре Т скорости в интервале υ, υ + dυ.

9. Распределение частиц в силовом поле (распределение Больцмана):

n = n₀ exp(-U/kT),

где U - потенциальная энергия частиц; n₀ – концентрация молекул на нулевом уровне.

10. Среднее число соударений, испытываемых одной молекулой газа в единицу времени:

,

где d - эффективный диаметр молекулы; n - концентрация молекул; <υ> - средняя арифметическая скорость молекул.

11. Средняя длина свободного пробега молекул газа:

.

12. Закон Фика (уравнение диффузии):

m = -D(d/dx)St,

где m - масса газа, перенесенная в результате диффузии через площадку S за время t; D =(1/3)<υ> <> - коэффициент диффузии; d/dx - градиент плотности в направлении, перпендикулярном к площадке.

13. Закон Фурье (уравнение теплопроводности):

Q = -K(dT/dx)St,

где Q - количество теплоты, перенесенное газом в результате теплопроводности через площадку S за время t; dT/dx - градиент температуры в направлении, перпендикулярном к площадке S; K = (1/3) c_v<υ> <> - коэффициент диффузии. Здесь c_v - удельная теплоемкость газа при постоянном объеме;  - плотность газа.

14. Сила внутреннего трения между движущимися слоями газа:

F_тр = -(dυ/dx)S,

где =(1/3)<υ><>- коэффициент вязкости; dυ/dx- градиент скорости в направлении, перпендикулярном к площадке S.

15. Первое начало термодинамики:

Q = dU + A,

где Q - количество теплоты, сообщенное системе; А = p dV - элементарная работа, совершенная системой против внешних сил; dU = m/M c_v dT - изменение внутренней энергии.

16. Теплоемкость идеального газа:

удельная с = Q/(mdT);

молярная С = сМ.

Молярные теплоемкости при постоянном объеме и постоянном давлении

С_v =( i/2) R;

C_p = C_v + R = (i+2)R/2,

где i - число степеней свободы молекул газа.

17. Уравнение Пуассона:

pV^ = const; TV^-1 = const; Tp^(1-)/ = const,

где  = С_р/С_v = (i+2)/i - коэффициент Пуассона.

18. Работа, совершаемая газом:

а) в общем случае А =  рdV;

б) при изобарном процессе (р= const) A= p (V₂ ‑ V₁);

в) при изотермическом процессе (Т=const)

A = (m/M) RT ln(V₂/V₁);

г) при адиабатном процессе (Q = 0)

A = ‑ U = (m/M) C_v T,

A = p₁V₁/( - 1) [1 - (V₁/V₂)^-1].

19. К.п.д. тепловой машины:

 = A/Q₁ = (Q₁ - Q₂) / Q₁,

где Q₁ - тепло, получаемое рабочим телом, Q₂ - отдаваемое тепло.

К.п.д. цикла Карно:

 = (Q₁ - Q₂) / Q₁ = (Т₁ - Т₂) / Т₁,

где Т₁ и Т₂ - температуры нагревателя и холодильника.

20. Приращение энтропии системы:

S   Q/T,

где Q - элементарное тепло, получаемое системой.

21. Связь между энтропией и термодинамической вероятностью:

S = k lnW,

где k - постоянная Больцмана, W - термодинамическая вероятность системы.

2.2. Примеры решения задач

Задача 1. В сосуде объёмом V = 5 л находится азот массой m = 1,4 г при температуре Т = 1800 К. Найти давление газа, имея в виду, что при этой температуре  =30% молекул диссоциировано на атомы.

Решение

Так как часть молекул диссоциирована на атомы, то в сосуде находится смесь двух газов с молярными массами М₁=28 г и М₂ = М₁/2 =14 г уравнения состояния обоих газов имеют вид:

(1)

(2)

где P₁ и P₂ – парциальные давления молекулярного (N₂) и атомарного (N₁) азота. Давление смеси газов подчиняется закону Дальтона:

Сложим уравнения (1) и (2):

Так как m₁+m₂=m (масса газа), то

Отсюда,

Задача 2. На какой высоте давление воздуха составляет 60 % от давления на уровне моря? Считать температуру воздуха везде одинаковой и равной 10^О С.

Решение

Зависимость давления от высоты имеет вид:

На уровне моря h₀=0, поэтому

Прологарифмируем обе части

Отсюда,

Задача 3. Найти среднюю продолжительность свобод- ного пробега молекул кислорода при температуре Т = 250 К и давлении P =100 Па.

Решение

Средняя продолжительность свободного пробега молекул – величина, обратная среднему числу столкновений, происходящих за 1 секунду:

Так как то

.

Здесь - средняя арифметическая скорость молекул кислорода

где n – концентрация молекул кислорода.

Из уравнения состояния идеального газа

Эффективный диаметр молекул кислорода (величина справочная) d = 0,36 нм = .

Задача 4. Определить отношение удельных теплоём- костей  для смеси газов, содержащей гелий массой m₁=8 г и водород массой m₂ = 2 г.

Решение

Для нагревания смеси газов массой на T при постоянном объёме ей необходимо сообщить количество теплоты где - удельная теплоёмкость смеси.

Часть этого количества теплоты, пойдёт на нагревание гелия, другая часть - на нагревание водорода. Тогда

,

Отсюда

.

Аналогично находим с_р смеси:

.

Здесь , и , - удельные теплоёмкости гелия и водорода соответственно: