Кинематика Механические передачи Молекулярная физика и термодинамика Ядерная физика

Лабораторная работа по физике. Практические занятия

Маховое колесо, имеющее момент инерции 245 кг∙м2, вращается с частотой 20 об/с. Через минуту после того, как на колесо перестал действовать вращающий момент, оно остановилось. Найти: 1) момент сил трения; 2) число оборотов, которое сделало колесо до полной остановки после прекращения действия сил.

Решение

При торможении угловое ускорение отрицательно. Найдём его модуль из кинематического соотношения для угловой скорости.

ω 0 = 2 π ν0, ω = 0,

0 = 2 π ν0 - ε t,

отсюда ε = .

Это ускорение обусловлено действием момента сил трения

Mтр = I ε = .

Полный угол поворота при равнозамедленном движении находится из соотношения:

φ = ω0 t- ,

φ =2π N, ω 0 = 2 π ν0,  ε = .

Перепишем соотношения для угла в виде:

2π N = 2 π ν0 t -  = 2 π ν0 t -  = .

Для нахождения числа оборотов получим:

N = .

Подставив числовые значения, найдём:

Mтр =  = 506 Нм,

N =  = 600 об.

Задача 15

На барабан радиусом R = 20 см, момент инерции которого равен I = 0,1 кг∙м2, намотан шнур, к которому привязан груз массой m = 0,5 кг. До начала вращения высота груза над полом равна h1 = 1 м. Найти: 1) через какое время груз опустился до пола; 2) кинетическую энергию груза в момент удара о пол; 3) натяжение нити. Трением пренебречь.

  Решение

 

На груз действует сила тяжести mg и сила натяжения шнура Т. Уравнение поступательного движения груза ma = mg – T.

Барабан вращается вокруг неподвижной оси. Его уравнение движения M = I ε,

где М – момент силы натяжения шнура, М = TR, I – момент инерции барабана, ε =  – его угловое ускорение.

TR = I .

Выражаем отсюда силу натяжения шнура:

  T = I (10)

и подставляем ее в уравнение движения груза:

mg = a(m + ) = am(1 + ).

Получаем ускорение груза:

  a = . (11)

Время движения груза можно найти из уравнения:

 h1 = ,

t =  = .

В момент удара о пол груз имел скорость:

  υ = at = .

Следовательно, его кинетическая энергия:

  Ek = =.

Подставив выражение для ускорения (11) в формулу (10), получим: T =   = .

Подставив числовые значения, определим искомые величины:

 t =  = 1,1 c,

 Ek =  = 0,82 Дж,

T =  = 4,1 Н.

 ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ УРАВНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ

Отличие рассмотрения задач в механике и в термодинамике

Прежде всего, отметим качественное отличие описания процессов в механике и термодинамике. В механике есть уравнение движения (2-й закон Ньютона), а в термодинамике («термостатике») – термическое уравнение состояния (1.1), связывающее термодинамические параметры, знание которых для феноменологической термодинамики означает знание состояния термодинамической системы. Поскольку связь между параметрами (1.1) (существующая только в равновесных или близких к таковым состояниях) позволяет любой из параметров выразить через остальные, то описание процессов в термодинамике оказывается многовариантным. С примером этого мы уже встретились при описании адиабатного процесса в идеальном газе, где адиабатный процесс равносильно описывался тремя разными уравнениями (3.8), (3.9) и (3.10).

Возможность разных вариантов описания одного и того же термодинамического процесса породила в термодинамике проблему, которой нет в механике, а именно, проблему выбора переменных, выбора функций, наиболее удобно (с точки зрения практических приложений) описывающих процесс изменения состояния.

В 1875 году американский физик Гиббс показал, что для решения технических задач термодинамики вполне достаточно знать поведение в термодинамических процессах всего четырех функций, играющих в термодинамике роль, аналогичную роли потенциальной энергии в механике. Эти четыре функции соотносятся с четырьмя рассмотренными ранее процессами (два адиабатных и два изотермических), которых достаточно, чтобы смоделировать работу любого технически интересного термодинамического устройства. Термодинамических потенциалов четыре, так как в термодинамике четыре основные переменные – две механические для работы (давление и объем, то есть сила и перемещение) и две тепловые для теплоты (температура и энтропия), которые могут рассматриваться в качестве независимых координат термодинамических процессов. Это хорошо видно из выражений, описывающих два механизма передачи энергии термодинамической системе: PdV  и Q = TdS.

Удерживая неизменными (закрепляя) по одной механической и одной тепловой координате, мы получаем четыре разновидности основных термодинамических процессов, которых достаточно, чтобы равновесным способом перевести термодинамическую систему из любого начального (равновесного) состояния в любое конечное (равновесное), и соответствующие им четыре термодинамических потенциала. А раз так, то необходимо научиться находить эти основные термодинамические потенциалы (точнее – разность их значений) в разных состояниях, то есть надо найти дифференциальные уравнения, связывающие скорость изменения термодинамических потенциалов со значениями термодинамических параметров и их производными (то есть с величинами, которые могут быть определены опытным путем). Эти уравнения получили название- термодинамические уравнения состояния (в отличие от обычных, термических уравнений состояния, в которые входят только термодинамические параметры и которые либо очень сложны, либо вовсе нам неизвестны). Все эти уравнения выводятся из термодинамического тождества (5.3) (термодинамической формы записи закона сохранения энергии, учитывающей существование энтропии) ТdS = dU + dA.

Термодинамические уравнения состояния


Начнем с внутренней энергии, которую в термодинамическом тождестве можно представить через полный дифференциал двух переменных - температуры и объема, тогда


Дифференциал энтропии как функции двух переменных (Т,V) можно записать в виде


Сравнивая эти два выражения, находим, что

Поскольку вторые, перекрестные производные от функции двух переменных должны быть равны независимо от порядка дифференцирования, то есть


и, следовательно,


откуда

и мы имеем термодинамическое уравнение состояния для внутренней энергии (как функции объема при постоянной температуре).

 Все величины, стоящие в правой части уравнения (7.1), легко поддаются измерению на опыте, что позволяет найти зависимость внутренней энергии от объема при разных температурах.


Деление кристаллов на диэлектрики, металлы и полупроводники