Кинематика Механические передачи Молекулярная физика и термодинамика Ядерная физика

Лабораторная работа по физике. Практические занятия

Кинематика

Основные формулы

Средняя скорость тела за промежуток времени Δt определяется отношением перемещения тела Δr к промежутку времени Δt:

где  – радиус–вектор начальной точки,  – конечной.

Средний модуль скорости тела за промежуток времени Δt есть отношение пути S, пройденного телом за это время, к Δt:

.

Средним ускорением называется отношение изменения скорости ко времени, за которое оно произошло:

.

Мгновенная скорость  равна производной радиус-вектора точки по времени 

и направлена по касательной к траектории; для прямолинейного движения ,

ускорения .

Кинематические соотношения для прямолинейного равнопеременного движения:

,

,

где υ0 скорость тела в момент времени t = 0, a – ускорение тела.

При криволинейном движении полное ускорение тела раскладывается на нормальную и тангенциальную к траектории составляющие: .

Тангенциальная составляющая ускорения определяет изменение модуля скорости: ,

нормальная – изменение направления скорости:

,

где R–радиус кривизны траектории, нормальное ускорение направлено к центру кривизны траектории.

Модуль полного ускорения:

.

При движении по окружности кинематическими характеристиками являются:

– угол поворота φ,

– угловая скорость ω = ,

– угловое ускорение ε =  = .

Кинематические уравнения для вращательного равнопеременного движения:

ε t

φ = ω0 t + ε,

где ω0 – угловая скорость в момент времени t=0, e – угловое ускорение.

Линейные и угловые параметры движения связаны соотношением: υ = ω R, aτ = ε R.

 Уравнения Гиббса - Гельмгольца. Соотношения Максвелла


Термодинамическое тождество (5.4) TdS = dU + PdV и определения термодинамических потенциалов (6.3) H = U + PV, (6.5) F = U – TS и (6.7) G = U – TS+ PV позволяют записать полные дифференциалы энтальпии, свободной энергии и потенциала Гиббса в виде: dH = TdS + VdP, dF = - SdT – PdV, dG = - SdT + VdP. Отсюда сразу следуют связи

Если подставить выражения для энтропии из (7.5) в уравнения (6.5) и (6.7) и учесть (6.3), то получатся уравнения Гиббса-Гельмгольца, связывающие термодинамические потенциалы друг с другом и с их

производными по термодинамическим параметрам


Из выражений для полных дифференциалов свободной энергии и потенциала Гиббса  (dF = - SdT – PdV и dG = -SdT + VdP) и по свойству равенства перекрестных производных


получаем соотношения Максвелла


Слева в этих уравнениях стоят скорости изменения энтропии в изотермических процессах при изменении объема или давления, а правые части этих уравнений легко находят опытным путем, так как в первом уравнении справа от знака равенства стоит произведение давления Р на изохорный коэффициент температурного давления β, а в правом уравнении – произведение объема V на изобарный коэффициент теплового расширения α (со знаком минус).


Вторые производные от потенциалов связывают важные для практики значения теплоемкостей при постоянном объеме или давлении с изменением энтропии



Уравнения (7.13) имеют отношение к 3-у началу термодинамики (теореме Нернста): При приближении температуры к абсолютному нулю энтропия однородной системы стремится к нулю, LimS]T=0 = 0. В рамках феноменологической термодинамики 3-е начало фиксирует точку отсчета энтропии. Энтропия при этом может быть вычислена по формуле

из которой видно, что вблизи абсолютного нуля теплоемкость должна становиться бесконечно малой (чтобы интеграл не обращался в бесконечность). Это значит, что никакими способами нельзя отнять теплоту у термодинамической системы, то есть абсолютный нуль недостижим.


Деление кристаллов на диэлектрики, металлы и полупроводники