Термодинамика и механика

Физика: механика и термодинамика (стр. 1 из 10)

Термодинамика и  механика

Южно – Российский государственный университет

экономики и сервиса

Ставропольский технологический институт сервиса

Лабораторный практикум

по физике

Механика.

Молекулярная физика.

Термодинамика

Ставрополь – 2003

Издается по решению Научно-

методического совета СТИС

от 5 декабря 2002 г.

Лабораторный практикум по физике

Механика. Молекулярная физика. Термодинамика

Ставрополь: СТИС, 2003. 24 с.

Пособие к лабораторному практикуму по физике для студентов инженерных специальностей.

Содержит пять лабораторных работ, в которых студенты в форме укрупненных дидактических единиц осваивают кинематику и динамику поступательного движения, кинематику и динамику вращательного движения твердого тела, колебательное движение трех типов маятников, вязкость жидкостей и газов, изменение энтропии тела при нагревании и плавлении.

Каждая работа содержит краткое теоретическое введение, описание идеи метода измерений и экспериментальных установок, методику измерений, обработки и представления результатов. В конце работы приводится подробная схема отчета и набор контрольных вопросов и заданий. Работы насыщены заданиями, рассчитаны на 4 академических часа при условии основательной домашней подготовки.

ÓСоставители: ст. преподаватель Киселев В.В.

канд. ф.-м. н., доцент Козлов С.А.

Рецензент: доцент, канд. ф.-м. н., Пиунов И.Д.

Цель работы

Углубление теоретических представлений о кинематике и динамике поступательного движения материальной точки, экспериментальная проверка основных законов поступательного движения на специальной лабораторной установке – машине Атвуда, дальнейшее закрепление навыков оформления экспериментальных результатов.

1. Экспериментальная установка

Машина Атвуда (рис.1) состоит из легкого блока 2, через который переброшена нить с двумя наборными грузами на концах (массы обоих грузов одинаковы и равны m). Грузы могут двигаться вдоль вертикальной рейки со шкалой 1. Если на правый груз положить небольшой перегрузок Dm, грузы начнут двигаться с некоторым ускорением. Для приема падающего груза служит полочка 3.

Для выполнения работы машина Атвуда должна быть установлена строго вертикально, что легко проверить по параллельности шкалы и нити.

2. Теоретическая часть

Второй закон Ньютона для каждого из тел системы (рис.2) в предположении невесомости блока и отсутствия трения дает

, (1)

где Т1,2 – силы натяжения нити, m – масса каждого груза, Dm – масса перегрузка, а – ускорение системы.

В проекциях на вертикальную ось ОY получаем соот3ношения

. (2)

Отсюда, так как Т1 = Т2, ускорение движения системы равно

. (3)

Из выражения (3) видно, во-первых, что ускорение не зависит от времени, что доказывает равноускоренный характер движения грузов. Во-вторых, видно, что изменять ускорение системы можно, меняя перегрузки Dm. В случае равноускоренного движения скорость грузов v и их перемещение DS за время t определяются следующим образом:

(4)

Так как начальная скорость в опытах на машине Атвуда обычно равна нулю и движение условно начинается из начала координат, то

. (5)

Второе соотношение часто называют законом перемещений: «Перемещение при равноускоренномдвижении прямо пропорционально квадрату времени движения».

Соотношение (5) может быть проверено экспериментально на машине Атвуда.

Кроме того, машина Атвуда дает возможность экспериментально проверить второй закон Ньютона для поступательного движения: «Ускорение, с которым движется тело, прямо пропорционально равнодействующей действующих на него сил и обратно пропорционально массе этого тела».

Действительно, из соотношения (3) следует, что величина ускорения а движения грузов прямо пропорционально действующей силе Dmg и обратно пропорционально массе (2m+Dm) системы.

3. Экспериментальная часть

Задание 1.Проверка закона перемещений.

1. Проверьте вертикальность установки машины Атвуда и сбалансированность грузов.

2. На правый груз наложите перегрузок в 2-5 г.

3. Измерьте время прохождения грузом расстояний в 20, 40, 60 и т. д. см – всего 4-5 опытов. Полученные данные заносите в таблицу 1 отчета.

4. Зависимость S = f(t) – квадратичная функция, а ее график – парабола и ее наглядная идентификация («узнавание») невозможна. Поэтому постройте график зависимости S = f(t2). Точку (t=0, S=0) на графике не откладывать не надо.

5. Как правило, экспериментальные точки из-за погрешностей измерений не лежат на одной прямой, что затрудняет построение графика зависимости S = f(t2). Для линеаризации зависимости примените метод наименьших квадратов (МНК) (табл. 2 отчета). Проведите необходимые вычисления, запишите уравнение

, гдеk и b – вычисленные с помощью МНК коэффициенты. Подставляя в полученное уравнение два произвольных значения t2, найдите координаты двух точек, которые отложите на графике и проведите через них прямую.

6. Значение коэффициента линейной корреляции, его близость к единице указывает на величину разброса экспериментальных точек и достоверность того, что полученный график действительно прямолинейный.

Если экспериментальные точки ложатся на прямую с небольшим разбросом и прямая проходит через начало координат, то можно сделать вывод, выполняется ли закон перемещений, и если выполняется, то с каким коэффициентом корреляции.

Задание 2. Определение ускорения движения грузов

В полученном уравнении прямой

коэффициент k равен половине ускорения системы: k=a/2. Это позволяет вычислить ускорение грузов (a =2k) в данном опыте и определить погрешность его измерения. Произведите необходимые вычисления и занесите результаты в отчет.

Задание 3. Определение ускорения свободного падения

(Выполняется по результатам измерений и вычислений, проведенных в первом и втором заданиях). Зная массы грузов и перегрузка, а также ускорение движения системы, из формулы (3) найдите ускорение свободного падения.

Учитывая погрешности измерения масс грузов, перегрузка и ускорения грузов, определите относительную и абсолютную погрешность измерения ускорения свободного падения. Результаты занесите в отчет.

В выводе сравните полученный результат с табличной величиной.

Задание 4.Проверка второго закона Ньютона

Поскольку ускорение движения является функцией двух переменных – силы и массы, то изучение второго закона Ньютона выполняется путем двух раздельных исследований

4.1.Исследование зависимости ускорения от силы при постоянной массе

1. Тщательно сбалансируйте грузы, выбрав их массы в пределах 150 — 200 г каждый.

2. Затем на правый груз наложите первый перегрузок Dm. В результате в системе появляется движущая сила, равная Dmg. При этом, конечно, общая масса системы незначительно увеличивается, но этим изменением массы по сравнению с массой грузов можно пренебречь и считать массу движущихся грузов постоянной.

3. Измерьте время равноускоренного движения системы на пути, например, 80 см. Все данные заносят в таблицу 3 отчета.

4. Пользуясь законом путей (5), вычисляют ускорениесистемы.

5. Поведите еще 4-5 опыта, увеличивая массу перегрузков. Заполните табл. 3.

6. В координатных осях [а,F] постройте график зависимости ускорения движения от действующей силы. Точку (F=0, a=0) на графике откладывать не надо.

Если экспериментальные точки ложатся на прямую с небольшим разбросом и прямая проходит через начало координат, то можно сделать вывод о том, что ускорение грузов действительно прямо пропорционально действующей на них силе.

Источник: https://mirznanii.com/a/322089/fizika-mekhanika-i-termodinamika

Механика, термодинамика и молекулярная физика

Термодинамика и  механика

Вопросы к зачету по физике (механика, термодинамика и молекулярная физика)

для студентов 1 курса ФЗО (Группы: 53071, 53072, 53073)

1.  Материальная точка, абсолютно твердое тело (определения).

2.  Траектория, путь, перемещение, радиус-вектор (определения).

3.  Скорость (определение, формула, направление вектора ).

4.  Ускорение (определение, формула, направление вектора ).

5.  Основные формулы кинематики поступательного движения.

6.  Угловая скорость (определение, формула, направление вектора ), частота и период обращения при движении материальной точки по окружности (определения, формулы).

7.  Связь между линейной и угловой скоростью (формулы связывающие вектора и ; модули векторов и ).

8.  Угловое ускорение (определение, формула, направление вектора ).

9.  Свободное падение тел. Основные формулы кинематики свободного падения.

10.  Инерциальные и неинерциальные системы отсчета (определения). Первый закон Ньютона (формулировка).

11.  Масса тела, сила (определения). Второй закон Ньютона (формулировка, формула).

12.  Третий закон Ньютона (формулировка, формула)

13.  Импульс материальной точки, твердого тела (определения, формулы). Закон сохранения импульса (формулировка, формула).

14.  Закон всемирного тяготения (формулировка, формула).

15.  Сила тяжести. Вес тела (формулировки, формулы).

16.  Элементарная работа (определение, формула). Интегральное представление работы (формула).

17.  Кинетическая энергия тела при поступательном движении (формулировка, формула)

18.  Потенциальная энергия тела (определение, формулы).

19.  Полная механическая энергия тела. Закон сохранения механической энергии (формулировка, формула).

20.  Момент импульса материальной точки (определение, формула для вектора и его модуля, направление вектора момента импульса).

21.  Момент силы (определение, формула для вектора и его модуля, направление вектора момента силы).

22.  Уравнение моментов системы материальных точек относительно неподвижной оси. Закон сохранения момента импульса (формулировки, формулы).

23.  Силы инерции: поступательная сила инерции; центробежная сила инерции; сила Кориолиса.

24.  Момент импульса твердого тела относительно неподвижной оси вращения (определение, формула).

25.  Момент инерции твердого тела относительно неподвижной оси (определение, формула).

26.  Уравнение динамики вращательного движения твердого тела (формулировка, формула).

27.  Кинетическая энергия вращения твердого тела; кинетическая энергия поступательного движения твердого тела; полная кинетическая энергия твердого тела (формулы с пояснениями).

28.  Гармонические колебания (определения, формулы). Амплитуда, фаза, период, частота, циклическая частота гармонических колебаний (определения).

29.  Затухающие колебания (формулы с пояснениями).

30.  Вынужденные колебания (формулы с пояснениями).

31.  Упругие волны. Волновая поверхность. Плоская и сферическая волна (определения). Уравнения плоской и сферической волн (уравнения с пояснениями).

32.  Закон Паскаля. Сила Архимеда (формулировки).

33.  Идеальная жидкость. Уравнение неразрывности струи. Уравнение Бернулли (формулировки, формулы).

34.  Силы вязкого трения. Методы определения вязкости жидкости.

35.  Основные положения молекулярно — кинетической теории (формулировки).

36.  Основное уравнение молекулярно — кинетической теории идеального газа (формулировка, формулы).

37.  Средняя квадратичная скорость молекул (определение, формулы).

38.  Средняя кинетическая энергия молекулы (определение, формулы).

39.  Уравнение Клапейрона-Менделеева (формулировка, формулы).

40.  Изопроцессы (формулировки, формулы).

41.  Термодинамические системы. Состояние термодинамической системы. Термодинамические параметры: давление, объем, температура (определения, формулы).

42.  Внутренняя энергия (определение, формулы).

43.  Первое начало термодинамики (формулировки, формулы). Количество теплоты, работа (определения, формулы).

44.  Теплоемкость, удельная теплоемкость, молярная теплоемкость (определения, формулы) Уравнение Майера (формулы с пояснениями).

45.  Адиабатический процесс (определение). Уравнение Пуассона (формулы с пояснениями).

46.  Обратимые и необратимые процессы, энтропия (определения, формулы).

47.  Изменение энтропии в изопроцессах (формулы с пояснениями).

48.  Второе начало термодинамики (формулировка, формула).

49.  Прямой и обратный циклы Карно (определения). КПД цикла Карно (формулы с пояснениями).

50.  Уравнение Ван-дер-Ваальса ((формула с пояснениями).).

51.  Изотермы реальных газов (графики с пояснениями).

52.  Критическое состояние вещества (определение, формулы).

2015-2016 учебный год

Кафедра физики и высшей математики

Источник: http://fiziku5.ru/kontrolnye/mexanika-termodinamika-i-molekulyarnaya-fizika

Термодинамика и статистическая механика

Термодинамика и  механика

После созданиястатистической механики термодинамикане утратила своего значения. Ее общиезаконы справедливы для всех веществнезависимо от их внутреннего строения.С помощью термодинамики сравнительнопросто объясняются тепловые явления ивыполняются расчеты важных техническихустройств, однако при этом многиевеличины, например теплоемкости, должныбыть определены экспериментально.

Статистическаямеханика позволяет на основе определенныхпредставлений о строении веществавычислять теплоемкости тел и другиевеличины, которые термодинамика заим-

ствует непосредственноиз опыта. Но количественная теориятвердого и особенно жидкого состояниявещества очень сложна, и не всегданеобходимые вычисления могут бытьвыполнены до конца. В ряде случаевпростые расчеты, основанные на законахтермодинамики, оказываются незаменимыми.

В настоящее времяв науке и технике с успехом используютсяоба метода описания тепловых явлений— термодинамический и статистический.Они взаимно дополняют друг друга. Ностатистическая механика — более глубокаятеория, в которой полностью вскрываетсясущность тепловых явлений. Сами законытермодинамики можно обосновать в рамкахстатистической механики.

Глава 2. Основы молекулярно-кинетической теории

Мыначнем с основных положениймолекулярно-кинетической теории. Онивам частично известны из предшествующегокурса физики. Затем познакомимся сколичественной теорией самого простогомакроскопического тела газа.

§ 2.1. Основные положения молекулярно-кинетической теории

«Еслибы в результате какой-либо мировойкатастрофы все накопленные научныезнания оказались бы уничтоженными и кгрядущим поколениям живых существперешла бы только одна фраза, то какоеутверждение, составленное из наименьшегоколичества слов, принесло бы.

наибольшуюинформацию? Я считаю, что это —атомнаягипотеза(можете называть ее не гипотезой, афактом, но это ничего не меняет): всетела состоят из атомов маленькихтелец, которые находятся в беспрерывномдвижении, притягиваются на небольшомрасстоянии, но отталкиваются, если одноиз них плотнее прижать к другому.

Водной этой фразе, как вы убедитесь,содержится невероятное количествоинформации о мире, стоит лишь приложитьк ней немного воображения и чуть-чутьсоображения».

Приведенное намивысказывание принадлежит выдающемусяамериканскому физику Р. Фейнману. Итак,в основе молекулярно-кинетическойтеории лежат три утверждения, каждоеиз которых в настоящее время строгодоказано экспериментально: веществосостоит из частиц; эти частицы хаотическидвижутся; частицы взаимодействуют другс другом.

Доказательства существования молекул

Предположениео том, что все тела состоят из отдельныхчастиц и, следовательно, ни одно телонельзя разделить на сколь угодно малыечасти, высказывалось Демокритом идругими древнегреческими мыслителямиеще за 2500 лет до нашего времени.

Качественное объяснение многих явленийс помощью молекулярной теории было данов XVIIIв. Однако бесспорные доказательствасуществования молекул и атомов удалосьполучить только в начале XXв. Дело в том, что атомы очень малы.

Онине видны не только простым глазом, но ив обычный оптический микроскоп. Именнопоэтому все тела кажутся нам сплошными.

Первое убедительное,хотя и косвенное, доказательствосуществования атомов и молекул былополучено английским химиком Д. Дальтоном(1766—1844). Дальтон объяснил закон постоянныхотношений.

Согласно этому закону приобразовании любых химических соединениймассы реагирующих веществ находятся встрого определенных отношениях. Так,например, при образовании воды изводорода и кислорода отношение масспрореагировавших газов водорода икислорода всегда равно 1:8.

Этот фактстановится понятным лишь в том случае,если допустить, что при образованиимельчайшей частички воды — молекулы —некоторое определенное число атомовводорода соединяется с определеннымчислом атомов кислорода. Молекула водысостоит из двух атомов водорода и одногоатома кислорода.

Поэтому отношение массводорода и кислорода при образованииводы должно быть равно отношениюудвоенной массы атома водорода к массеатома кислорода. Это отношение не можетизмениться ни при каких условиях.

Мыне будем перечислять все известныесейчас доказательства существованияатомов и молекул. В этом нет никакойнеобходимости. Современные приборыпозволяют рассматривать отдельныеатомы на поверхностях тел и измерятьих размеры.

Самый совершенный из них,называемый туннельным микроскопом, былсоздан в середине 80-х годов сотрудникамизнаменитой компьютерной фирмы IBM(г. Цюрих) Г. Биннингом и Г. Рорером,удостоенными за его изобретениеНобелевской премии.

Источник: https://studfile.net/preview/2383541/page:6/

Термодинамика и механика

Термодинамика и  механика

В современной науке такие направления в физике, как термодинамика и механика являются основными, так как с помощью их методов и принципов ученые могут создавать новые устройства, показывающей единство и целостность человека и окружающего его мира.

Рисунок 1. Термодинамика. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Определение 1

Механика – обширный раздел физики, в котором исследуется движение физического тел под действием других сил.

Механика охватывает достаточно широкий круг вопросов и рассматривает объекты от галактик до элементарных, мельчайших частиц вещества.

В этих случаях применение механических методов представляет чисто научный интерес.

Но ключевым предметом механики является проектирование мостов, различных строений и механизмов — этот подраздел, обычно называемый прикладной механикой, сам по себе очень обширен.

В итоге механика и физика как наука составляют одно целое, благодаря которым яснее становится понятна фундаментальная связь внешнего мира с атомными явлениями, непосредственно связанными с механическими процессами.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Определение 2

Термодинамика – раздел науки, рассматривающий общие свойства макроскопических систем, которые постоянно находятся в состоянии термодинамического равновесия, и явления перехода энергии между этими состояниями.

Термодинамика базируется на основе фундаментальных начал, которые являются обобщением многочисленных научных наблюдений и выполняются независимо от природы образующих концепцию тел.

Закономерности в соотношениях между активно взаимодействующими физическими величинами, к которым приводят термодинамические способы, имеют универсальный характер.

Обоснование законов и принципов термодинамики, их связь с законами движения элементарных частиц, из которых построены материальные тела, дается статистической физикой.

Основные законы термодинамики и механики

Рисунок 2. Механика Ньютона. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Законы термодинамики принято также называть ее началами. На самом деле термодинамическое начало представляет собой не что иное, как совокупность конкретных постулатов, являющиеся основой соответствующего раздела молекулярной физики. Данные постулаты были установлены учеными при проведении научных исследований.

И так, на сегодняшний день существует четыре начала термодинамики:

  • первое – объясняет, как применяется закон сохранения внутренней энергии по отношению к той или иной термодинамической системе;
  • второе- выдвигает определенные ограничения, которые используются относительно к тем или иным направлениям термодинамических явлений, запрещая самопроизвольную передачу тепла, совершаемую от менее нагретого к более нагретому элементу;
  • третий закон – детально описывает поведение энтропии возле абсолютного температурного нуля;
  • последнее начало – носит название “нулевой закон термодинамики” и заключается в том, что любая замкнутая система приходит к состоянию постоянного равновесия и из него выйти уже самостоятельно не сможет.

Замечание 1

Законы термодинамики были тщательно изучены для того, чтобы описывать все макроскопические показатели тех или иных систем.

При этом конкретные идеи и предложения, имеющие прямую связь с микроскопическим устройством, учеными не выдвигаются. Этот вопрос исследуется отдельно, но уже другими разделами физики– статистической. Законы термодинамики всегда независимы друг от друга.

Постулаты классической механики неоднократно были подтверждены наблюдениями и опытами исследователей, поэтому являются более объективными законами природы.

В ходе развития механики сформировались такие основные законы:

  1. Закон внутренней инерции. Материальная точка может сохранять состояние покоя или прямолинейного равномерного движения до тех пор, пока действие внешних сил не изменит данное состояние.
  2. Закон пропорциональности ускорения и силы. Положение материальной точки прямо пропорционально приложенной к ней силе и имеет аналогичное с ней направление.
  3. Закон равенства противодействия и действия. Всякому действию физического тела соответствует направленное противоположно противодействие.
  4. Закон независимости взаимодействия сил. Силы, одновременно действующие на материальную точку, диктуют такое ускорение, которое выгодны им и равное их геометрической сумме.

Стоит отметить, что на законах механики базируется огромное количество технических дисциплин: гипотеза механизмов и машин, детали машин, сопротивление материалов, изучаемые в высших учебных заведениях.

Работа в механике и термодинамике

Рисунок 3. Работа в термодинамике. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

В механике в основном рассматривается движение макроскопических материальных тел.

Работа определяется как исключительное произведение модулей силы и перемещения действующих в системе частиц. Механические методы совершаются при действии нескольких сил на движущееся физическое вещество и равна конечному изменению его кинетической энергии.

В термодинамике движение любого рабочего тела как целого не рассматривается и речь идет только о перемещении частей макроскопического элемента относительно друг друга. При совершении работы в итоге меняется объем исследуемого объекта, а его скорость остается прежней — равной нулю. Но скорости молекул физического тела меняются, следовательно, меняется и общая температура концепции.

Причина заключается в следующем: при упругих соударениях молекул с движущимся поршнем (для случая сжатия газа) их кинетическая и внутренняя энергия изменяется. Итак, при совершении работы в термодинамике меняется изначальное состояние макроскопических предметов.

Применение концепций механики и термодинамики в научных сферах

В результате стремительного развития физики в начале XX столетия определилась сфера применения классической механики: ее законы и методы выполняются для таких движений, скорость которых значительно меньше скорости света.

Было экспериментально определено, что с ростом скорости масса материального тела возрастает. Вообще постулаты классической механики Ньютона справедливы только для случая инерциальных концепций отсчета.

В автотехнической экспертизе более целесообразным является использование в качестве их теоретической базы законов термодинамики.

Полученные на основе термодинамической теории механического движения расчетные уравнения позволяют специалистам достоверно и надежно оценить важные параметры движения, однако это возможно сделать только при условии постановки в формулы достоверных числовых величин, которые соответствуют расчетным данным — результаты измерений, параметры и коэффициенты. Механический подход к исследованию движений человека помогает определить количественно необходимую меру двигательных процессов, описать физическую сущность природных явлений, раскрыть сложность строения тела и его движений с точки зрения физики.

Законы классической механики и методы термодинамического анализа продолжают демонстрировать свою эффективность. Физические эксперименты, опираясь на измерительную технику, обеспечивают небывалую точность. Практическое знание указанных научных направлений все в большей мере становится основой промышленной технологии и техники, стимулируя развитие других естественных наук.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/termodinamika/termodinamika_i_mehanika/

Booksm
Добавить комментарий