Характер взаимодействия открытых частиц не изучен егэ

---

С этим файлом связано 2 файл(ов). Среди них: Теории происхождения государства.docx, задания ерэ22 14-15.docx.
Показать все связанные файлы

---

Подборка по базе: Тренировочные варианты ОГЭ биология 2023.pdf, Деловые игры для отдела продаж – варианты с подробным описанием , Синхронный генератор варианты.docx, 4 ВАРИАНТЫ К Практической (1).docx, Анализ данных для ИЗОО ч.2, учебное пособие и варианты РАР.pdf, Составьте схему классификации речевых нарушений. Укажите автора , Приложение. Тренинг уверенности (история вопроса, различные вари, Виды — варианты (2).docx, Тренировочные варианты по математике в формате ГВЭ (9 класс).doc, I вариант Установите соответствие между грамматическими ошибками

---

1. Укажите варианты ответов, в которых во всех словах одного ряда содержится безударная проверяемая гласная корня. Запишите номера ответов.
   1. раскачать, офицерский, перечертить
   2. реалистично, нарисованный, выгарки
   3. банкиры, небесный, выскочить
   4. сверять (решение), причесать, переплатить
   5. варенье, посвятить (поэму), далёкий

1. Укажите варианты ответов, в которых во всех словах одного ряда пропущена одна и та же буква. Запишите номера ответов.
   1. (путь) бе..целен, (я) ра..задорю, бе..шумно
   2. з..винтил (кран), пр..срочит, раз..рвал
   3. пр..сесть (на лавку), пр..нарядиться, пр..мадонна
   4. кон..юнктивит, из..ян, с..язвить
   5. супер..гра, контр..ск, на..грыш

1. Укажите варианты ответов, в которых в обоих словах одного ряда пропущена одна и та же буква. Запишите номера ответов.
   1. потч..вать, застр..вать
   2. марл..вый, милост..вый
   3. вещ..вой, бел..нький
   4. дириж..р, толч..ный
   5. красн..ватый, накрепк..

1. Укажите варианты ответов, в которых в обоих словах одного ряда пропущена одна и та же буква. Запишите номера ответов.
   1. вылеч..л, кол..шь
   2. пойма..шь, обита..мый
   3. наслажда..мся, обессил..шь (от труда)
   4. обеспеч..в (детей), слыш..мый
   5. вычист..м, завис..л

1. Укажите предложение, в котором НЕ со словом пишется СЛИТНО. Раскройте скобки и выпишите это слово.
   1. К удивлению родных, суп, сваренный младшим сыном, оказался вовсе (НЕ)ДУРЁН.
   2. (НЕ)ИЗРАСХОДОВАННАЯ за время выступления энергия била в молодом исполнителе ключом, и, после того как закончилась музыка, он всё ещё продолжал виртуозно двигаться по сцене.
   3. Особенности взаимодействия рассматриваемых единиц языка (НЕ)ОПИСАНЫ.
   4. Степан лучше многих в отряде понимал, что борьба с врагом предстоит трудная и, скорее всего, займёт (НЕ)МАЛО времени.
   5. Игра шла (НЕ)АКТИВНО и оживлённо, а вяло и скучно.

1. Определите предложение, в котором оба выделенных слова пишутся СЛИТНО. Раскройте скобки и выпишите эти два слова.
   1. Певец, (ПО)ВИДИМОМУ, чувствовал, что имеет дело с людьми сведущими, и (ПО)ТОМУ особенно старательно выводил верхние ноты.
   2. Бим СРАЗУ(ЖЕ) понял, что ёжик — это зверюшка, и (ПРИ)ТОМ хорошая.
   3. Все друзья и коллеги Светлова собрались сегодня (ЗА)ТЕМ, ЧТО(БЫ) поздравить его с юбилеем.
   4. (ВО)ПЕРВЫХ, в своём письме Валя объяснял, почему он не приехал на каникулы, а (ВО)ВТОРЫХ, он изумлялся появлению Сани в Энске и выражал по этому поводу сердечные чувства.
   5. Савельевна не любила рябую курицу (ЗА)ТО, что с того момента, как (ОТ)КУДА ни возьмись та появилась во дворе, она не снесла ни одного яйца.

1. Укажите все цифры, на месте которых пишется Н.

Дваукраше(1)ыхзеленьюблюда:жаре(2)аярыба,приготовле(3)аяотцом,ииспечё(4)ыйбабушкойтыкве(5)ыйпирог—стоялипосерединенакрытогобелойльня(6)ойскатертью стола.

1. Укажите варианты ответов, в которых во всех словах одного ряда содержится безударная проверяемая гласная корня. Запишите номера ответов.

1. дразнилки, внимать, росточек
2. освежающий, несгораемый, вентиляция
3. гениальный, провинциальный, управлять
4. географический, напрягаться, умиротворённый
5. безбилетник, корзина, уравнение

1. Укажите варианты ответов, в которых во всех словах одного ряда пропущена одна и та же буква. Запишите номера ответов.

1. пр..спать, д..говорить, р..ззадорить
2. ..гибать, чере..чур, ни..падать
3. вз..скал, (я) за..нтригую, сверх..нтеллигентный
4. о..душина, по..бил, по..бежал
5. трёх..ярусный, волеиз..явление, ин..екция

1. Укажите варианты ответов, в которых в обоих словах одного ряда пропущена одна и та же буква. Запишите номера ответов.

1. окольц..вать, пересматр..вать
2. вдумч..вый, глянц..вый
3. бесступенч..тый, искос..
4. кали..вый, ботиноч..к
5. извоз..ик, перепис..ик

1. Укажите варианты ответов, в которых в обоих словах одного ряда пропущена одна и та же буква. Запишите номера ответов.

1. поддержива..мый, покаж..шься
2. куп..м, рису..мый
3. ненавид..вший, маш..шь
4. (мальчик) тороп..тся, колебл..мый
5. наде..щийся, (они) брод..т

1. Определите предложение, в котором НЕ с выделенным словом пишется СЛИТНО. Раскройте скобки и выпишите это слово.

1. Характер взаимодействия открытых частиц (НЕ)ИЗУЧЕН.
2. Существуют факты (НЕ)ОСПОРИМЫЕ, проверенные многими поколениями.
3. Рядом с добротным домом стоял (НЕ)НОВЫЙ, а покосившийся сарай.
4. Выпускник внимательно перечитал ещё (НЕ)ЗАКОНЧЕННОЕ сочинение и понял, каким должно быть содержание заключительной части.
5. Встреча старых друзей оказалась далеко (НЕ)РАДОСТНОЙ.

1. Определите предложение, в котором оба выделенных слова пишутся СЛИТНО. Раскройте скобки и выпишите эти два слова.

1. Санчасть ютилась в ТОМ(ЖЕ) обветшалом, тесном помещении; хорошо хоть столовая появилась и вытянулся ряд новых, похожих (ЗА)СЧЁТ самообслуживания на жильё казарм.
2. (В)МЕСТО ответа девушка подала Райскому (В)ДВОЕ сложенный листок.
3. (НА)ВЕРХУ башни Геннадий, посмеиваясь над своими старыми страхами, заметил, что у него (КАК)БУДТО гора с плеч свалилась.
4. ЕДВА(ЛИ) кто-то из братьев расстроится, если старший прибежит к финишу раньше или, (НА)ОБОРОТ, победителем станет младший.
5. Судя (ПО)ТОМУ, что на улице Леплевский держался уже (ПО)ОДАЛЬ от Ивана, его решимости заметно поубавилось.

1. Укажите все цифры, на месте которых пишется НН.

Взгляд молодого почтальона был встревоже(1)ым и растеря(2)ым: даже в дальнейстанице не было найде(3)о человека с именем и фамилией, которые были написа(4)ы нанедоставле(5)омписьме.

1. Укажите варианты ответов, в которых во всех словах одного ряда пропущена содержится проверяемая гласная корня. Запишите номера ответов.

1. сиделка, лесничий, равнина
2. приласкать, свернуть, потянуть
3. промокать, земляной, платяной
4. дежурный, белизна, деление
5. расписание, наказать, нападение

1. Укажите варианты ответов, в которых во всех словах одного ряда пропущена одна и та же буква. Запишите номера ответов.

1. пр..влёк (внимание), пр..чёска, пр..терпеться (к неудобствам)
2. ..бить (сливки), во..рождение, чре..мерный
3. р..списать, д..брался, под..шёл
4. без..глый (ёж), за..скрит (провод), сверх..скусный
5. в..юга, син..ор, б..ющийся

1. Укажите варианты ответов, в которых в обоих словах одного ряда пропущена одна и та же буква. Запишите номера ответов.

1. зашпакл..вать, запечатл..вать
2. находч..вый, ситц..вый
3. дымч..тый, угодл..вый
4. наглух.., верблюж..нок
5. развед..ик, смаз..ик

1. Укажите варианты ответов, в которых в обоих словах одного ряда пропущена одна и та же буква. Запишите номера ответов.

1. (жёны) плач..т, (положения) зижд..тся
2. исполня..мый, достро..нный
3. ка..вшийся, замеш..нное (тесто)
4. высме..в, (они) приход..т
5. (лампа) свет..т, накле..в

1. Определите предложение, в котором НЕ с выделенным словом пишется СЛИТНО. Раскройте скобки и выпишите это слово.

1. В руках вошедшего был (НЕ)БОЛЬШОЙ чемодан, как все предполагали, а маленькая кожаная сумка.
2. (НЕ)РАССМАТРИВАЯ возможность возвращения без победы, спортсменка усиленно готовилась к соревнованиям.
3. В большой кастрюле на плите уже варилось вишнёвое варенье, а на столе лежали ещё (НЕ)ОЧИЩЕННЫЕ яблоки.
4. Главный инженер точно спрогнозировал результат, (НЕ)СМОТРЯ на минимум предоставленных данных.
5. В письме (НЕ)СКАЗАНО ни слова о событиях прошлого.

1. Определите предложение, в котором оба выделенных слова пишутся СЛИТНО. Раскройте скобки и выпишите эти два слова.

1. (В)ПОСЛЕДСТВИИ садовник убедился, что красивая гусеница этой не ОЧЕНЬ(ТО) яркой бабочки живёт преимущественно на крыжовнике и барбарисе.
2. (ВО)ИЗБЕЖАНИЕ дополнительных трудностей было дано распоряжение (В)ТЕЧЕНИЕ ближайших месяцев не набирать неопытных помощников.
3. (В)СООТВЕТСТВИИ с правилами гостеприимства хозяин должен был слушать стихи и (В)МЕСТО высказывания критических замечаний молчать, щадя авторское самолюбие.
4. Рыбак ТУТ(ЖЕ) ответил, что выдры питаются исключительно рыбой, очень хорошо умеют нырять и (ПО)ДОЛГУ остаются под водой.
5. (ОТ)ЧЕГО люди (ЗА)ЧАСТУЮ бывают равнодушны к происходящему вокруг?

1. Укажите все цифры, на месте которых пишется НН.

На полирова(1)ом столике, поставле(2)ом в самом углу просторной гости(3)ой, белелсложе(4)ый вчетверо листок бумаги, на котором было крупно написа(5)о только однослово.

1. Укажите варианты ответов, в которых во всех словах одного ряда содержится безударная чередующаяся гласная корня. Запишите номера ответов.

1. тематический, вестибюль, звериный
2. переложить, растворитель, соскочить
3. бледнеть, изваяние, локализация
4. выбирать, выскочить, просклонять
5. кривой, поспевает, удивляться

1. Укажите варианты ответов, в которых во всех словах одного ряда пропущена одна и та же буква. Запишите номера ответов.

1. ни..вергаться, бе..грешные, ра..крошить
2. пр..изойти, пр..бабушка, пр..следить
3. пр..града, пр..зрительный, пр..одолеть
4. без..дейный, под..грывать, из..сканность
5. кар..ера, фел..етон, помест..е

1. Укажите варианты ответов, в которых в обоих словах одного ряда пропущена одна и та же буква. Запишите номера ответов.

1. доступн..сть, черед..вать
2. кальци..вый, заво..вать
3. обманч..вый, постук..вать
4. постанов..ик, совет..ик
5. сервир..вать, сгоряч.. (сказать)

1. Укажите варианты ответов, в которых в обоих словах одного ряда пропущена одна и та же буква. Запишите номера ответов.

1. прикрут..шь, независ..мый
2. наден..шь, занима..мый
3. загуб..шь, уплач..нный
4. владе..шь, подготов..вший
5. (ветры) разгон..т, терп..щий (бедствие)

1. Определите предложение, в котором НЕ со словом пишется СЛИТНО. Раскройте скобки и выпишите это слово.

1. География учит людей бережно относиться к природе, к её далеко (НЕ)БЕСКОНЕЧНЫМ ресурсам.
2. Забота о природе (НЕ)ВОЗМОЖНА без бережного и любовного отношения к каждому ручейку, к каждому кусту и дереву.
3. К 2050 году на планете прибавится ещё (НЕ)МЕНЕЕ трёх миллиардов жителей.
4. Ныне каждый человек употребляет в год 20 тонн всевозможных ресурсов, это (НЕ)СЧИТАЯ воды.
5. История заселения планеты, история открытия и освоения новых земель продолжалась (НЕ)ОДНО столетие.

1. Определите предложение, в котором оба выделенных слова пишутся СЛИТНО. Раскройте скобки и выпишите эти два слова.

1. (В)НАЧАЛЕ ХIХ века Амедео Авогадро предположил, что все газы состоят из молекул, (ПРИ)ЧЁМ число молекул в единице объёма любого газа одинаково, если одинаковы давление и температура.
2. Особенно лисицу выручает нюх — врага она чувствует (ИЗ)ДАЛИ и успевает (ВО)ВРЕМЯ убежать или спрятаться.
3. Стратегическая обстановка требовала быстрейшего соединения, и это ТО(ЖЕ) явилось причиной отступления армий Барклая и Багратиона (В)ГЛУБЬ страны.
4. Количество кислорода пополняется (ЗА)СЧЁТ фотосинтеза, (ПО)ЭТОМУ его содержание в воздухе постоянно.
5. КАК(ТО) раз нам пришлось ночевать в альпийских лугах (В)БЛИЗИ высоких ледников горного Кавказа.

1. Укажите все цифры, на месте которых пишется НН.

В Исландии пожилые женщины носят чёрные дли(1)ые суко(2)ые платьятрадицио(3)огопокроя, частосотделкой изсеребря(4)ыхнитей.

1. Укажите варианты ответов, в которых во всех словах одного ряда содержится безударная чередующаяся гласная корня. Запишите номера ответов.

1. гениальный, минимальный, процедура
2. равняться, лагуна, обмакнуть
3. зарница, подстилать, блистать
4. несгораемый, упрощённый, плавник
5. сминать, предположить, прикасаться

1. Укажите варианты ответов, в которых во всех словах одного ряда пропущена одна и та же буква. Запишите номера ответов.

1. пр..неприятный, пр..рвать, пр..ступление
2. не..гибаемый, чере..чур, пере..дача (экзамена)
3. обе..болить, обе..силеть, обе..покоиться
4. по..тереть, по..порка, по..толкнуть
5. под..тожить, пред..юльский, меж..нститутский

1. Укажите варианты ответов, в которых в обоих словах одного ряда пропущена одна и та же буква. Запишите номера ответов.

1. сызмал.., затемн..
2. никел..вый, увид..л
3. увес..стый, догадл..вый
4. опазд..вать, совет..вать
5. плать..це, кресл..це

1. Укажите варианты ответов, в которых в обоих словах одного ряда пропущена одна и та же буква. Запишите номера ответов.

1. заброш..нный, помеш..нный (на аниме)
2. (они) терп..т, (льды) раста..т
3. (дети) корм..т, (травы) стел..тся
4. (охотники) подстрел..т, (друзья) спор..т
5. законч..нный, очищ..нный (апельсин)

1. Определите предложение, в котором НЕ со словом пишется СЛИТНО. Раскройте скобки и выпишите это слово.

1. Комната была (НЕ)ПРОВЕТРЕНА.
2. Алексей оказался (НЕ)ГОТОВ говорить правду в этих обстоятельствах.
3. Принятие решения в данном положении было (НЕ)ИЗБЕЖНО.
4. Вышло опять (НЕ)ПО-МОЕМУ.
5. В этом учебном году Катя училась (НЕ)ХУЖЕ, чем в прошлом.

1. Определите предложение, в котором оба выделенных слова пишутся СЛИТНО. Раскройте скобки и выпишите эти два слова.

1. Дальше мы шли (ПО)ОДИНОЧКЕ, ТАК(КАК) дорога сильно сузилась.
2. (ПО)МИМО верного направления, предстояло выбрать ещё и цель путешествия, (ТО)ЕСТЬ обозначить, куда мы идём.
3. Он имел (В)ВИДУ ТО(ЖЕ), что и я.
4. (В)ТЕЧЕНИЕ недели нам звонили (НА)СЧЁТ щенков, родившихся у всеми любимой овчарки Колбаски.
5. (НЕ)ПОДАЛЁКУ от опушки леса стояла (ПОЛУ)РАЗРУШЕННАЯ хижина Джейкоба.

1. Укажите все цифры, на месте которых пишется НН.

Ксюшасиделанаподоко(1)икеирастеря(2)огляделанаслова,написа(3)ыенаасфальтемасля(4)ой краской еёю(5)ымпокло(6)иком.

1. Укажите варианты ответов, в которых во всех словах одного ряда содержится безударная чередующаяся гласная корня. Запишите номера ответов.

1. росточек, задрожать, подгоревший
2. просветить, парламент, критикующий
3. заря, положение, прикоснуться
4. пловчиха, обмакнуть, выскочить
5. вытирать, застилать, уровень

1. Укажите варианты ответов, в которых во всех словах одного ряда пропущена одна и та же буква. Запишите номера ответов.

1. с..ехал, зав..южило, обез..яний
2. пр..права, пр..верженец, пр..мерный
3. опр..кинуть, нез..менимый, об..льститель
4. супер..нтересный, вз..мать, пост..ндустриальный
5. пр..пятствие, пр..неприятный, пр..ступник

1. Укажите варианты ответов, в которых в обоих словах одного ряда пропущена одна и та же буква. Запишите номера ответов.

1. солом..нка, изюм..нка
2. совестл..вый, ружь..цо
3. кирпич..м, врач..м
4. никел..вый, ткан..вый
5. девч..нка, трущ..бы

1. Укажите варианты ответов, в которых в обоих словах одного ряда пропущена одна и та же буква. Запишите номера ответов.

1. (вы) пиш..те, колебл..мый (ветром)
2. (мы) трепещ..м, (он) бор..тся
3. (он) труд..тся, очищ..нные (овощи)
4. зала..вший (пёс), раста..вший (снег)
5. муч..мый (сомнениями), прикле..вший

1. Определите предложение, в котором НЕ со словом пишется СЛИТНО. Раскройте скобки и выпишите это слово.

1. На деревьях лежали шапки ещё (НЕ)ОСЫПАВШЕГОСЯ снега.
2. Он промолчал, а затем, (НЕ)ГЛЯДЯ ни на кого, вышел из кабинета.
3. В Петербурге хорошо гулять, часто даже (НЕ)ВЗИРАЯ на дождь.
4. Петя работает (НЕ)ХУЖЕ остальных ребят.
5. Эта редакция романа (НЕ)ОТРЕДАКТИРОВАНА.

1. Определите предложение, в котором оба выделенных слова пишутся СЛИТНО. Раскройте скобки и выпишите эти два слова.

1. Пёс, играя с хозяином, спрятался (ЗА)ТО дерево, что росло (НЕ)ДАЛЕКО от тропинки.
2. (В)ТЕЧЕНИЕ всей недели я ломал голову над тем, (КАК)БЫ решить эту задачу по геометрии.
3. (В)ПЕРЕДИ показались серые домики, и мы поняли, что приехали (ПО)РАНЬШЕ, чем договаривались с экскурсоводом.
4. (В)ЗАКЛЮЧЕНИЕ своей речи оратор попросил, ЧТО(БЫ) слушатели не реагировали так громко на его слова.
5. (НА)ВСТРЕЧУ мы опоздали, (ЗА)ТО успели сделать множество дел.

1. Укажите все цифры, на месте которых пишется НН.

Свитер,вяза(1)ыйбабушкой,выгляделужесильнопоноше(2)ым,местамибылрва(3)ый,где-тозалата(4)ый.

1. Укажите варианты ответов, в которых во всех словах одного ряда содержится безударная проверяемая гласная корня. Запишите номера ответов.

1. раздираемый (противоречиями), улетучиться, кредит
2. олицетворение, преобразовать, выросли
3. сетевой (шнур), умалять (значение), пятнистый
4. соберёт, абитуриент, поседеть (от горя)
5. отряхнуть, навевать (воспоминания), приласкать (щенка)

1. Укажите варианты ответов, в которых во всех словах одного ряда пропущена одна и та же буква. Запишите номера ответов.

1. пр..землиться, пр..обретение, пр..открывшийся
2. р..зобщённо, п..переменно, пр..верка
3. с..митировать, без..сходный, под..грать
4. ра..мешать, бе..граничный, бе..численный
5. роз..грыш, без..скусный, за..граться

1. Укажите варианты ответов, в которых в обоих словах одного ряда пропущена одна и та же буква. Запишите номера ответов.

1. претерп..вая, вывеш..вать
2. кокетл..во, молод..нький
3. ноздр..ватый, ослаб..вать
4. застра..вать, завистл..вый
5. сладк..ватый, (сдвинуть) вправ..

1. Укажите варианты ответов, в которых в обоих словах одного ряда пропущена одна и та же буква. Запишите номера ответов.

1. леле..шь, несгиба..мый
2. помн..шь, вид..мый
3. верт..шься, потрат..вший
4. расскаж..шь, увенч..нный
5. самокле..щиеся (обои), (зёрна) перемел..тся

1. Определите предложение, в котором НЕ со словом пишется СЛИТНО. Раскройте скобки и выпишите это слово.

1. (НЕ)ИСПРАВЛЕННЫЕ вовремя ошибки могут повториться.
2. Лирическая поэзия далеко (НЕ)ВСЕГДА прямой разговор поэта о себе и своих чувствах.
3. Маша смотрела на происходившее, как смотрит замечтавшийся человек на отдалённый предмет: (НЕ)ВОЗМОЖНО оторвать взгляд.
4. (НЕ)ОСОЗНАВАЯ своего предназначения, герои пьес А. П. Чехова часто проживают свой век бессмысленно.
5. Воздух, ещё (НЕ)СТАВШИЙ знойным, приятно освежает.

1. Определите предложение, в котором оба выделенных слова пишутся СЛИТНО. Раскройте скобки и выпишите эти два слова.

1. (В)ДАЛИ на солнце жёлтый лист сверкает, (КАК)БУДТО ярким золотом пылающий костёр.
2. ТАК(ЖЕ), как и вчера, Алексей при виде соперника почувствовал жгучую обиду и (ПО)ЭТОМУ, круто развернувшись, пошёл в другую сторону.
3. Вопреки ожиданиям нам ВСЁ(ТАКИ) разрешили осмотреть приусадебное хозяйство, пострадавшее (В)СЛЕДСТВИЕ наводнения.
4. Баснописец И. А. Крылов увлекался математикой, ТО(ЖЕ) самое увлечение разделял и Л. Н. Толстой, ТАК(КАК) считал математику средством развития умственных способностей.
5. Хочется, ЧТО(БЫ) счастье пришло как заслуга, (ПО)ЭТОМУ и стараешься быть честным и справедливым.

1. Укажите все цифры, на месте которых пишется НН.

Вприотворё(1)уюдверьвиднелосьвсёхозяйствоТараса:ружьёнастене,несколькогоршковнапечке,сундучок под некраше(2)ойлавкой,развеша(3)ыеснасти.

И что ты скажешь, ФИЗИКА? : Великие открытия в физике

Закон падающего тела

На протяжении более двух тысяч лет люди считали, что тяжелые предметы падают быстрее легких. Эта классическая мудрость основывалась на наблюдениях древнегреческого философа Аристотеля. Люди верили ему, потому что его мысли казались правильными. Но в 17 веке Галилео Галилей решил проверить закон Аристотеля. По легенде он сбрасывал в Пизанской башни шары разной массы.

Во время своих экспериментов Галилео обнаружил, что тяжелые предметы падают быстрее легких из-за меньшего воздушного сопротивления: воздух мешает легкому объекту сильнее, чем тяжелому.

Решение Галилея проверить закон Аристотеля стало поворотным моментом в науке, оно ознаменовало начало проверки всех общепринятых законов опытным путем. Опыты Галилея с падающими телами привели к нашему начальному пониманию ускорения под действием гравитации.

Всемирное тяготение Это открытие свершилось благодаря сэру Исааку Ньютону, который родился в Англии в год смерти Галилея.

Говорят, что однажды Ньютон сидел под яблоней в саду и отдыхал. Вдруг он увидел, как с ветки упало яблоко. Этот простой инцидент заставил его задуматься, почему яблоко упало вниз, в то время, как Луна все время оставалась в небе. Именно в этот момент в мозгу молодого Ньютона свершилось открытие: он понял, что на яблоко и Луну действует единая сила гравитации.

Ньютон представил себе, что на весь фруктовый сад действовала сила, которая притягивала к себе ветки и яблоки. Его более важно то, что он распространил эту силу до самой Луны. Ньютон понял, что сила притяжения есть везде, до него никто до этого не додумывался.

Ньютон предположил, что Луна, пытаясь лететь по прямой линии в космосе мимо Земли, постоянно притягивается ей. Из-за этого Луна вращается вокруг Земли. Но и сама Луна притягивает Землю при помощи собственной гравитации. Ньютон открыл закон всемирного тяготения.

Согласно этому закону, гравитация влияет на все тела во Вселенной, включая яблоки, луны и планеты. Сила притяжения такого крупного тела, как Луна, может провоцировать такие явления, как приливы и отливы океанов на Земле.

Вода в той части океана, которая находится ближе к Луне, испытывает большее притяжение, поэтому Луна, можно сказать, перетягивает воду из одной части океана в другую. А так, как Земля вращается в противоположном направлении, эта задержанная Луной вода оказывается дальше привычных берегов.

Понимание Ньютоном того, что у каждого предмета есть собственная сила притяжения, стало великим научным открытием. Однако, его дело было еще не завершено.

Законы движения

Ньютон для многих является олицетворением самой физики, ведь он, помимо прочего, открыл три закона движения, что стало его вторым великим открытием. Это законы, которые объясняют движение любого физического предмета.

Возьмем, например хоккей. Бьете клюшкой по шайбе, и она скользит по льду. Это первый закон: под действием силы предмет движется. Если бы не было трения о лед, то шайба скользила бы бесконечно долго. Когда вы бьете клюшкой по шайбе, то придаете ей ускорение.

Второй закон гласит: ускорение прямо пропорционально приложенной силе и обратно пропорционально массе тела.

А согласно третьему закону при ударе шайба действует на клюшку с такой же силой, как клюшка на шайбу, т.е. сила действия равна силе противодействия.

Законы движения Ньютона были смелым решением объяснять механику функционирования Вселенной, они стали основой классической физики.

Второй закон термодинамики

Наука о термодинамике – это наука о тепле, которая преобразуется в механическую энергию. От нее зависела вся техника во время промышленной революции.

Тепловая энергия может быть преобразована в энергию движения, например, путем вращения коленчатого вала или турбины. Важнее всего выполнить как можно больше работы, используя как можно меньше топлива. Это наиболее экономически выгодно, поэтому люди стали изучать принципы работы паровых двигателей.

Среди тех, кто занимался этим вопросом, был немецкий ученый Рудольф Клаузиус. В 1865 году он сформулировал Второй закон термодинамики. Согласно этому закону, при любом энергетическом обмене, например, во время нагревания воды в паровом котле, часть энергии пропадает. Клаузиус ввел в оборот слово энтропия, объясняя с его помощью ограниченную эффективность паровых двигателей. Часть тепловой энергии теряется во время преобразования в механическую.

Это утверждение изменило наше понимание того, как функционирует энергия. Не существует теплового двигателя, который был бы эффективен на 100%. Когда вы едете на машине, только 20% энергии бензина действительно тратится на движение. Куда девается остальная часть? На нагревание воздуха, асфальта и шин. Цилиндры в блоке цилиндров нагреваются и изнашиваются, а детали ржавеют. Грустно думать о том, насколько расточительны такие механизмы.

Хотя Второй закон термодинамики был основой промышленной революции, следующее великое открытие привело мир в новое, его современное состояние.

Электромагнетизм Дамба Гувера – одно из величайших инженерных достижений современности. Ее высота 221 м, а масса 6,6 миллионов тонн. 17 генераторов вырабатывают электричество мощностью 3 миллиона лошадиных сил, и создается оно благодаря магнитному полю.

Ученые научились создавать магнитную силу с помощью электричества, когда пустили ток по завитому проводу. В результате получился электромагнит. Как только подается ток, возникает магнитное поле. Нет напряжения – нет поля. В 1831 году переплетчик, интересующийся электричеством, по имени Майкл Фарадей, стал первым, кто смог запустить этот процесс в обратном направлении. Он использовал движущееся магнитное поле для создания электричества.

Электрогенератор в своей самой простейшей форме является витком проволоки между полюсами магнита. Майкл Фарадей обнаружил, что когда магнит и проволока находятся на близком расстоянии, по проволоке проходит ток. По этому принципу работают все электрогенераторы.

Фарадей вел записи о своих экспериментах, но шифровал их. Тем не менее они были по достоинству оценены физикомДжеймсом Клерком Максвеллом, который использовал их, чтобы еще лучше понять принципы электромагнетизма. Максвелл позволил человечеству понять, как электричество распределяется по поверхности проводника.

Если вы хотите знать, каким был бы мир без открытий Фарадея и Максвелла, то представьте себе, что электричество не существует: не было бы радио, телевидения, мобильных телефонов, спутников, компьютеров и всех средств связи. Представьте себе, что вы в 19 веке, потому что без электричества вы бы именно там и оказались.

Совершая открытия, Фарадей и Максвелл не могли знать, что их труд вдохновил одного юношу на раскрытие тайн света и на поиск его связи с величайшей силой Вселенной. Этим юношей был Альберт Эйнштейн.

Теория относительности

В 1905 году случился переворот в мире науки, произошло величайшее открытие. Молодой неизвестный ученый, работающий в бюро патентов в швейцарском городе Берн, сформулировал революционную теорию. Его звали Альберт Эйнштейн.

Эйнштейн однажды сказал, что все теории нужно объяснять детям. Если они не поймут объяснения, то значит теория бессмысленна. Будучи ребенком, Эйнштейн однажды прочитал детскую книжку об электричестве, тогда оно только появлялось, и простой телеграф казался чудом. Эта книжка была написана неким Бернштейном, в ней он предлагал читателю представить себя едущим внутри провода вместе с сигналом. Можно сказать, что тогда в голове Эйнштейна и зародилась его революционная теория.

В юношестве, вдохновленный своим впечатлением от той книги, Эйнштейн представлял себе, как он двигается вместе с лучом света. Он обдумывал эту мысль 10 лет, включая в размышления понятие света, времени и пространства.

Он осознал, что теория Ньютона, согласно которой время и пространство неизменны, была неправильной, если ее применить к скорости света. С этого и началась формулировка того, что он назвал теорией относительности.

В мире, который описывал Ньютон, время и пространство были отделены друг от друга: когда на Земле 10 часов утра, то такое же время было и на Венере, и на Юпитере, и по всей Вселенной. Время было тем, что никогда не отклонялось и не останавливалось. Но Эйнштейн по-другому воспринимал время.

Время – это река, которая извивается вокруг звезд, замедляясь и ускоряясь. А если пространство и время могут изменяться, то меняются и наши представления об атомах, телах и вообще о Вселенной!

Эйнштейн демонстрировал свою теорию с помощью так называемых мыслительных экспериментов. Самый известный из них – это «парадокс близнецов». Итак, у нас есть двое близнецов, один из которых улетает в космос на ракете. Так как она летит почти со скоростью света, время внутри нее замедляется. После возвращения этого близнеца на Землю оказывается, что он моложе того, кто остался на планете. Итак, время в разных частях Вселенной идет по-разному. Это зависит от скорости: чем быстрее вы движетесь, тем медленнее для вас идет время.

Этот эксперимент в какой-то степени проводится с космонавтами на орбите. Если человек находится в открытом космосе, то время для него идет медленней. На космической станции время идет медленней. Этот феномен затрагивает и спутники. Возьмем, например, спутники GPS: они показывают ваше положение на планете с точностью до нескольких метров. Спутники движутся вокруг Земли со скоростью 29000 км/ч, поэтому к ним применимы постулаты теории относительности. Это нужно учитывать, ведь если в космосе часы идут медленнее, то синхронизация с земным временем собьется и система GPS не будет работать.

Через несколько месяцев после опубликования теории относительности Эйнштейн сделал следующее великое открытие: самое известное уравнение всех времен.

Вероятно, это самая известная в мире формула. В теории относительности Эйнштейн доказал, что при достижении скорости света условия для тела меняются невообразимым образом: время замедляется, пространство сокращается, а масса растет. Чем выше скорость, тем больше масса тела. Только подумайте, энергия движения делает вас тяжелее. Масса зависит от скорости и энергии. Эйнштейн представил себе, как фонарик испускает луч света. Точно известно, сколько энергии выходит из фонарика. При этом он показал, что фонарик стал легче, т.е. он стал легче, когда начал испускать свет. Значит E – энергия фонарика зависит от m – массы в пропорции, равной c2. Все просто.

Эта формула показывала и на то, что в маленьком предмете может быть заключена огромная энергия. Представьте себе, что вам бросают бейсбольный мяч и вы его ловите. Чем сильнее его бросят, тем большей энергией он будет обладать.

Теперь что касается состояния покоя. Когда Эйнштейн выводил свои формулы, он обнаружил, что даже в состоянии покоя тело обладает энергией. Посчитав это значение по формуле, вы увидите, что энергия поистине огромна.

Открытие Эйнштейна было огромным научным скачком. Это был первый взор на мощь атома. Не успели ученые полностью осознать это открытие, как случилось следующее, которое вновь повергло всех в шок.

Квантовая теория

Квантовый скачок – самый малый возможный скачок в природе, при этом его открытие стало величайшим прорывом научной мысли.

Субатомные частицы, например, электроны, могут передвигаться из одной точку в другую, не занимая пространство между ними. В нашем макромире это невозможно, но на уровне атома – это закон.

В субатомном мире атомы и их составляющие существуют согласно совсем иным законам, нежели крупные материальные тела. Немецкий ученый Макс Планк описал эти законы в своей квантовой теории. Квантовая теория появилась в самом начале 20 века, когда случился кризис в классической физике. Было открыто множество феноменов, которые противоречили законам Ньютона. Мадам Кюри, например, открыла радий, который сам по себе светится в темноте, энергия бралась из ниоткуда, что противоречило закону сохранения энергии. В 1900 году люди считали, что энергия непрерывна, и что электричество и магнетизм можно было бесконечно делить на абсолютно любые части. А великий физик Макс Планк дерзко заявил, что энергия существует в определенных объемах – квантах.

Если представить себе, что свет существует только в этих объемах, то становятся понятны многие феномены даже на уровне атома. Энергия выделяется последовательно и в определенном количестве, это называется квантовым эффектом и означает, что энергия волнообразна.

Тогда думали, что Вселенная была создана совсем по-другому. Атом представлялся чем-то, напоминающим шар для боулинга. А как может шар иметь волновые свойства?

В 1925 году австрийский физик Эрвин Шредингер, наконец, составил волновое уравнение, которое описывало движение электронов. Внезапно стало возможным заглянуть внутрь атома. Получается, что атомы одновременно являются и волнами, и частицами, но при этом непостоянными. Вскоре Макс Борн, коллега Эйнштейна, сделал революционный шаг: он задался вопросом – если вещество является волной, то что в ней меняется? Борн предположил, что меняется вероятность определения положения тела в данной точке.

Можно ли вычислить возможность того, что человек разделится на атомы, а потом материализуется по другую сторону стены? Звучит абсурдно. Как можно, проснувшись утром, оказаться на Марсе? Как можно пойти спать, а проснуться на Юпитере? Это невозможно, но вероятность этого подсчитать вполне реально. Данная вероятность очень низка. Чтобы это случилось, человеку нужно было бы пережить Вселенную, а вот у электронов это случается постоянно.

Все современные «чудеса» вроде лазерных лучей и микрочипов работают на основании того, что электрон может находиться сразу в двух местах. Как это возможно? Не знаешь, где точно находится объект. Это стало таким трудным препятствием, что даже Эйнштейн бросил заниматься квантовой теорией, он сказал, что не верит, что Господь играет во Вселенной в кости.

Несмотря на всю странность и неопределенность, квантовая теория остается пока что лучшим нашим представлением о субатомном мире.

Природа света

Древние задавались вопросом: из чего состоит Вселенная? Они считали, что она состоит из земли, воды, огня и воздуха. Но если это так, то что же такое свет? Его нельзя поместить в сосуд, нельзя дотронуться до него, почувствовать, он бесформенный, но присутствует везде вокруг нас. Он одновременно везде и нигде. Все видели свет, но не знали, что это такое.

Физики пытались ответить на этот вопрос на протяжении тысячи лет. над поиском природы света работали величайшие умы, начиная с Исаака Ньютона. Сам Ньютон использовал солнечный свет, разделенный призмой, чтобы показать все цвета радуги в одном луче. Это значило, что белый свет состоит из лучей всех цветов радуги.

Ньютон показал, что красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый цвета могут быть объединены в белый свет. Это привело его к мысли, что свет делится на частицы, которые он назвал корпускулами. Так появилась первая световая теория – корпускулярная.

Однако, существовала и альтернативная теория, согласно которой свет был волной. Ученый Томас Юнг смог доказать некоторые волновые свойства света.

Представьте себе морские волны: любой человек знает, что когда одна из волн сталкивается с другой под определенным углом, обе волны смешиваются. Юнг проделал то же самое со светом. Он сделал так, чтобы свет от двух источников пересекался, и место пересечения было отчетливо видно.

Итак, тогда было все две световые теории: корпускулярная у Ньютона и волновая у Юнга. И тогда за дело взялся Эйнштейн, который сказал, что возможно, обе теории имеют смысл. Ньютон показал, что у света есть свойства частиц, а Юнг доказал, что свет может иметь волновые свойства. Все это – две стороны одного и того же. Возьмем, например, слона: если вы возьмете его за хобот, то подумаете, что это змея, а если обхватите его ногу, то вам покажется, что это дерево, но на самом деле слон обладает качествами и того, и другого. Эйнштейн ввел понятие дуализма света, т.е. наличия у света свойств как частиц, так и волн.

Чтобы увидеть свет таким, каким мы знает его сегодня, потребовалась работа трех гениев на протяжении трех веков. Без их открытий мы, возможно, до сих пор жили бы в раннем Средневековье.

Атом так мал, что его трудно себе представить. В одну песчинку помещается 72 квинтиллиона атомов. Открытие атома привело к другому открытию.

О существовании атома люди знали уже 100 лет назад. Они думали, что электроны и протоны равномерно распределены в нем. Это назвали моделью типа «пудинг с изюмом», потому что считалось, что электроны были распределены внутри атома как изюм внутри пудинга.

В начале 20 века Эрнест Резерфорд провел эксперимент с целью еще лучше исследовать структуру атома. Он направлял на золотую фольгу радиоактивные альфа-частицы. Он хотел узнать, что произойдет, когда альфа-частицы ударятся о золото. Ничего особенного ученый не ожидал, так как думал, что большинство альфа-частиц пройдут сквозь золото, не отражаясь и не изменяя направление.

Однако, результат был неожиданным. По его словам, это было то же самое, что выстрелить 380-мм снарядом по куску материи, и при этом снаряд отскочил бы от нее. Некоторые альфа-частицы сразу отскочили от золотой фольги. Это могло произойти, только если бы внутри атома было небольшое количество плотного вещества, оно не распределено как изюм в пудинге. Резерфорд назвал это небольшое количество вещества ядром.

Благодаря открытию Резерфорда, ученые узнали о том, что атом состоит из ядра, протонов и электронов. Эту картину довершилДжеймс Чедвик – ученик Резерфорда. Он открыл нейтрон.

Чедвик провел эксперимент, который показал, что ядро состоит из протонов и нейтронов. Для этого он использовал очень умный метод распознавания. Для перехвата частиц, которые выходили из радиоактивного процесса, Чедвик применял твердый парафин.

Открытие нейтрона стало величайшим научным достижением. В 1939 году группа ученых во главе с Энрико Ферми использовали нейтрон для расщепления атома, открыв дверь в век ядерных технологий. Сверхпроводники Лаборатория Ферми обладает одним из крупнейших в мире ускорителем частиц. Это 7-километровое подземное кольцо, в котором субатомные частицы ускоряются почти до скорости света, а затем сталкиваются. Это стало возможным только после того, как появились сверхпроводники. Сверхпроводники были открыты примерно в 1909 году. Голландский физик по имени Хейке Камерлинг-Оннес стал первым, кто понял, как превратить гелий из газа в жидкость. После этого он мог использовать гелий в качестве морозильной жидкости, а ведь он хотел изучать свойства материалов при очень низких температурах. В то время людей интересовало то, как электрическое сопротивление металла зависит от температуры – растет она или падает. Он использовал для опытов ртуть, которую он умел хорошо очищать. Он помещал ее в специальный аппарат, капая ей в жидкий гелий в морозильной камере, понижая температуру и измеряя сопротивление. Он обнаружил, что чем ниже температура, тем ниже сопротивление, а когда температуры достигла минус 268 °С, сопротивление упало до нуля. При такой температуре ртуть проводила бы электричество без всяких потерь и нарушений потока. Это и называетсясверхпроводимостью.

Сверхпроводники позволяют электропотоку двигаться без всяких потерь энергии. В лаборатории Ферми они используются для создания сильного магнитного поля. Магниты нужны для того, чтобы протоны и антипротоны могли двигаться в фазотроне и огромном кольце. Их скорость почти равняется скорости света.

Ускоритель частиц в лаборатории Ферми требует невероятно мощного питания. Каждый месяц на то, чтобы охладить сверхпроводники до температуры минус 270 °С, когда сопротивление становится равным нулю, тратится электричество на миллион долларов.

Теперь главная задача – найти сверхпроводники, которые бы работали при более высоких температурах и требовали бы меньше затрат.

В начале 80-х группа исследователей швейцарского отделения компании IBM обнаружила новый тип сверхпроводников, которые обладали нулевым сопротивлением при температуре на 100 °С выше, чем обычно. Конечно, 100 градусов выше абсолютно нуля – это не та температура, что у вас в морозильнике. Нужно найти такой материал, который был бы сверхпроводником при обычной комнатной температуре. Это был бы величайший прорыв, который стал бы революцией в мире науки. Все, что сейчас работает на электрическом токе, стало бы гораздо эффективнее.

Данное открытие – это поиск мельчайших частиц материи во Вселенной.

Сначала был открыт электрон, затем протон, а потом нейтрон. Теперь у науки была новая модель атома, из которых состоит любое тело.

С разработкой ускорителей, которые могли сталкивать субатомные частицы на скорости света, человек узнал о существовании десятков других частиц, на которые разбивались атомы. Физики стали называть все это «зоопарком частиц».

Американский физик Мюррей Гелл-Ман заметил закономерность в ряде новооткрытых частиц «зоопарка». Он делил частицы по группам в соответствии с обычными характеристиками. По ходу он изолировал мельчайшие компоненты ядра атома, из которых состоят сами протоны и нейтроны. Он предполагал, что нейтрон или протон не являются элементарными частицами, как думали многие, а состоят из еще более мелких частиц – кварков – в необычными свойствами.

Открытые Гелл-Маном кварки были для субатомных частиц тем же, чем была периодическая таблица для химических элементов. За свое открытие в 1969 году Мюррею Гелл-Ману была присуждена Нобелевская премия в области физики. Его классификация мельчайших материальных частиц упорядочила весь их «зоопарк».

Хотя Гелл-Маном был уверен в существовании кварков, он не думал, что кто-то сможет их в действительности обнаружить. Первым подтверждением правильности его теорий были удачные эксперименты его коллег, проведенные на Стэнфордском линейном ускорителе. В нем электроны отделялись от протонов, и делался макроснимок протона. Оказалось, что в нем было три кварка.

Наше стремление найти ответы на все вопросы о Вселенной привело человека как внутрь атомов и кварков, так и за пределы галактики. Данное открытие – результат работы многих людей на протяжении столетий.

После открытий Исаака Ньютона и Майкла Фарадея ученые считали, что у природы две основные силы: гравитация и электромагнетизм. Но в 20 веке были открыты еще две силы, объединенные одним понятием – атомная энергия. Таким образом, природных сил стало четыре.

Каждая сила действует в определенном спектре. Гравитация не дает нам улететь в космос со скоростью 1500 км/ч. Затем у нас есть электромагнитные силы – это свет, радио, телевидение и т.д. кроме этого существую еще две силы, поле действия которых сильно ограничено: есть ядерное притяжение, которое не дает ядру распасться, и есть ядерная энергия, которая излучает радиоактивность и заражает все подряд, а также, кстати, нагревает центр Земли, именно благодаря ей центр нашей планеты не остывает вот уже несколько миллиардов лет – это действие пассивной радиации, которая переходи в тепло.

Как обнаружить пассивную радиацию? Это возможно благодаря счетчикам Гейгера. Частицы, которые высвобождаются, когда расщепляется атом, попадают в другие атомы, в результате чего создается небольшой электроразряд, который можно измерить. При его обнаружении счетчик Гейгера щелкает.

Как же измерить ядерное притяжение? Тут дело обстоит труднее, потому что именно эта сила не дает атому распасться. Здесь нам нужен расщепитель атома. Нужно буквально разбить атом на осколки, кто-то сравнил этот процесс со сбросом пианино с лестницы с целью разобраться в принципах его работы, слушая звуки, которые пианино издает, ударяясь о ступеньки.

Итак, у нас есть четыре силы фундаментального взаимодействия: гравитация (gravity), электромагнетизм (electromagnetism), ядерное притяжение (weak force, слабое взаимодействие) и ядерная энергия (strong force, сильное взаимодействие). Последние две называются квантовыми силами, их описание можно объединить в нечто под названием стандартной модели. Возможно, это самая уродливая теория в истории науки, но она действительно возможна на субатомном уровне. Теория стандартной модели претендует на то, чтобы стать высшей, но от этого она не перестает быть уродливой. С другой стороны, у нас есть гравитация – великолепная, прекрасная система, она красива до слез – физики буквально плачут, видя формулы Эйнштейна. Они стремятся объединить все силы природы в одну теорию и назвать ее «теория всего». Она объединила бы все четыре силы в одну суперсилу, которая существует с начала времен.

Неизвестно, сможем ли мы когда-нибудь открыть суперсилу, которая включала бы в себя все четыре основные силы Природы и сможем ли создать физическую теорию Всего. Но одно известно точно: каждое открытие ведет к новым исследованиям, а люди – самый любопытный вид на планете – никогда не перестанут стремиться понимать, искать и открывать.

olvaryaphysics.blogspot.com

хронология, ученые-физики и их открытия

Хотя история физики как самостоятельной науки началась только в XVII веке, ее истоки относятся к самой глубокой древности, когда люди начали систематизировать первые свои знания об окружающем их мире. До Нового времени они относились к натуральной философии и включали в себя сведения о механике, астрономии и физиологии. Настоящая же история физики началась благодаря опытам Галилея и его учеников. Также фундамент этой дисциплины был заложен Ньютоном.

В XVIII и XIX столетии появились ключевые понятия: энергия, масса, атомы, импульс и т. д. В XX веке стала ясной ограниченность классической физики (помимо нее, зародилась квантовая физика, теория относительности, теория микрочастиц и т. д.). Естественнонаучные знания дополняются и сегодня, так как перед исследователями остается множество нерешенных проблем и вопросов о природе нашего мира и всей вселенной.

Древность

Многие языческие религии Древнего мира основывались на астрологии и знаниях звездочетов. Благодаря их исследованиям ночного неба произошло становление оптики. Накопление астрономических знаний не могло не повлиять на развитие математики. Однако теоретически объяснить причины природных явлений древние не могли. Жрецы приписывали молнии и солнечные затмения божественному гневу, что не имело ничего общего с наукой.

В то же время в Древнем Египте научились измерять длину, вес и угол. Эти знания были необходимы архитекторам при строительстве монументальных пирамид и храмов. Развивалась прикладная механика. Сильны в ней были и вавилоняне. Они же, основываясь на своих астрономических знаниях, стали использовать сутки для измерения времени.

Древнекитайская история физики началась в VII веке до н. э. Накопленный опыт в ремеслах и строительстве был подвергнут научному анализу, результаты которого были изложены в философских сочинениях. Самым известным их автором считается Мо-цзы, живший в IV столетии до н. э. Он предпринял первую попытку сформулировать основополагающий закон инерции. Уже тогда китайцы первыми изобрели компас. Они открыли законы геометрической оптики и знали о существовании камеры-обскуры. В Поднебесной появились зачатки теории музыки и акустики, о которых еще долгое время не подозревали на Западе.

Античность

Античная история физики больше всего известна благодаря греческим философам. Их исследования основывались на геометрических и алгебраических познаниях. Например, пифагорейцы первыми объявили о том, что природа подчиняется универсальным законам математики. Эту закономерность греки видели в оптике, астрономии, музыке, механике и других дисциплинах.

История развития физики с трудом представляется без трудов Аристотеля, Платона, Архимеда, Лукреция Кара и Герона. Их сочинения сохранились до наших времен в достаточно целостном виде. Греческие философы отличались от современников из других стран тем, что они объясняли физические законы не мифическими понятиями, а строго с научной точки зрения. В то же время у эллинов случались и крупные ошибки. К ним можно отнести механику Аристотеля. История развития физики как науки многим обязана мыслителям Эллады уже хотя бы тем, что их натурфилософия оставалась основой международной науки до XVII столетия.

Вклад александрийских греков

Демокрит сформулировал теорию атомов, согласно которой все тела состоят из неделимых и крохотных частиц. Эмпедокл предложил закон сохранения материи. Архимед заложил основы гидростатики и механики, изложив теорию рычага и подсчитав величину выталкивающей силы жидкости. Он же стал автором термина «центр тяжести».

Александрийский грек Герон считается одним из величайших инженеров в человеческой истории. Он создал паровую турбину, обобщил знания об упругости воздуха и сжимаемости газов. История развития физики и оптики продолжилась благодаря Евклиду, исследовавшему теорию зеркал и законы перспективы.

Средневековье

После падения Римской империи настал крах античной цивилизации. Многие знания были преданы забвению. Европа почти на тысячу лет остановилась в своем научном развитии. Храмами знаний стали христианские монастыри, которым удалось сохранить некоторые сочинения прошлого. Однако прогресс тормозила сама церковь. Она подчинила философию богословской доктрине. Мыслители, пытавшиеся выйти за ее пределы объявлялись еретиками и жестоко наказывались инквизицией.

На этом фоне первенство в естественных науках перешло к мусульманам. История возникновения физики у арабов связана с переводом на их язык трудов античных греческих ученых. На их основе мыслители востока сделали несколько собственных важных открытий. К примеру, изобретатель Аль-Джазири описал первый коленчатый вал.

Европейский застой продлился вплоть до Ренессанса. За Средние века в Старом Свете изобрели очки и объяснили возникновение радуги. Немецкий философ XV века Николай Кузанский первым предположил, что Вселенная бесконечна, и тем самым далеко опередил свое время. Через несколько десятилетий Леонардо да Винчи стал первооткрывателем явления капиллярности и закона трения. Также он пытался создать вечный двигатель, но не справившись с этой задачей, начал теоретически доказывать неосуществимость подобного проекта.

Ренессанс

В 1543 году польский астроном Николай Коперник опубликовал главный труд всей своей жизни «О вращении небесных тел». В этой книге впервые в христианском Старом Свете была произведена попытка защитить гелиоцентрическую модель мира, согласно которой Земля крутится вокруг Солнца, а не наоборот, как предполагала принятая церковью геоцентрическая модель Птолемея. Многие ученые физики и их открытия претендуют на звание великих, однако именно появление книги «О вращении небесных тел» считается началом научной революции, за которой последовало возникновение не только современной физики, но и современной науки в целом.

Другой знаменитый ученый Нового времени Галилео Галилей больше всего прославился изобретением телескопа (также ему принадлежит изобретение термометра). Кроме того, он сформулировал закон инерции и принцип относительности. Благодаря открытиям Галилея зародилась совершенно новая механика. Без него история изучения физики застопорилась бы еще на долгое время. Галилею, как и многим его широко мыслившим современникам, пришлось сопротивляться давлению церкви, из последних сил пытавшейся защитить старый порядок.

XVII столетие

Набравший ход рост интереса к науке продолжился и в XVII веке. Немецкий механик и математик Иоганн Кеплер стал первооткрывателем законов движения планет в Солнечной системе (законов Кеплера). Свои взгляды он изложил в книге «Новая астрономия», изданной в 1609 году. Кеплер оппонировал Птолемею, заключив, что планеты движутся по эллипсам, а не по окружностям, как считалось еще в античности. Этот же ученый внес значительный вклад в развитие оптики. Он исследовал дальнозоркость и близорукость, выяснив физиологические функции хрусталика глаза. Кеплер ввел понятия оптической оси и фокуса, сформулировал теорию линз.

Француз Рене Декарт создал новую научную дисциплину – аналитическую геометрию. Также он предложил закон преломления света. Главным трудом Декарта стала книга «Начала философии», изданная в 1644 году.

Немногие ученые-физики и их открытия известны так, как англичанин Исаак Ньютон. В 1687 году он написал революционную книгу «Математические начала натуральной философии». В ней исследователь изложил закон всемирного тяготения и три закона механики (также ставшие известными как законы Ньютона). Этот ученый работал над теорией цвета, оптикой, интегральными и дифференциальными исчислениями. История физики, история законов механики – все это тесно связано с открытиями Ньютона.

Новые рубежи

XVIII век подарил науке множество выдающихся имен. Особенно выделяется среди них Леонард Эйлер. Этот швейцарский механик и математик написал более 800 работ по физике и таким разделам, как математический анализ, небесная механика, оптика, теория музыки, баллистика и т. д. Петербургская академия наук признала его своим академиком, из-за чего Эйлер значительную часть жизни провел в России. Именно этот исследователь положил начало аналитической механике.

Интересно что история предмета физика сложилась такой, какой мы ее знаем, благодаря не только профессиональным ученым, но и исследователям-любителям, гораздо больше известным в совершенно другом качестве. Самым ярким примером такого самоучки стал американский политик Бенджамин Франклин. Он изобрел громоотвод, внес большой вклад в изучение электричества и сделал предположение о его связи с явлением магнетизма.

В конце XVIII столетия итальянец Алессандро Вольта создал «вольтов столб». Его изобретение стало первой электрической батарей в истории человечества. Этот век также ознаменовался появлением ртутного термометра, создателем которого был Габриэль Фаренгейт. Другим важным событием изобретательства оказалось изобретение паровой машины, произошедшее в 1784 году. Оно породило новые средства производства и перестройку промышленности.

Прикладные открытия

Если история начала физики развивалась исходя из того, что наука должна была объяснить причину природных явлений, то в XIX веке ситуация значительно изменилась. Теперь у нее появилось новое призвание. От физики стали требовать управления природными силами. В связи с этим стала ускоренно развиваться не только экспериментальная, но и прикладная физика. «Ньютон электричества» Андре-Мари Ампер ввел новое понятие электрического тока. В этой же области работал Майкл Фарадей. Он открыл явление электромагнитной индукции, законы электролиза, диамагнетизм и стал автором таких терминов, как анод, катод, диэлектрик, электролит, парамагнетизм, диамагнетизм и т. д.

Сложились новые разделы науки. Термодинамика, теория упругости, статистическая механика, статистическая физика, радиофизика, теория упругости, сейсмология, метеорология – все они формировали единую современную картину мира.

В XIX столетии возникли новые научные модели и понятия. Томас Юнг обосновал закон сохранения энергии, Джеймс Клерк Максвелл предложил собственную электромагнитную теорию. Русский химик Дмитрий Менделеев стал автором значительно повлиявшей на всю физику периодической системы элементов. Во второй половине века появилась электротехника и двигатель внутреннего сгорания. Они стали плодами прикладной физики, ориентированной на решение определенных технологических задач.

Переосмысление науки

В XX веке история физики, кратко говоря, перешла к тому этапу, когда наступил кризис уже устоявшихся классических теоретических моделей. Старые научные формулы начали противоречить новым данным. К примеру, исследователи выяснили, что скорость света не зависит от, казалось бы, незыблемой системы отсчета. На рубеже столетий были открыты требовавшие подробного объяснения явления: электроны, радиоактивность, рентгеновские лучи.

Вследствие накопившихся загадок произошел пересмотр старой классической физики. Ключевым событием в этой очередной научной революции стало обоснование теории относительности. Ее автором был Альберт Эйнштейн, впервые поведывавший миру о глубинной связи пространства и времени. Возник новый раздел теоретической физики – квантовая физика. В ее становлении приняли участие сразу несколько ученых с мировым именем: Макс Планк, Макс Бон, Эрвин Шредингер, Пауль Эренфест и другие.

Современные вызовы

Во второй половине XX века история развития физики, хронология которой продолжается и сегодня, перешла на принципиально новый этап. Этот период ознаменовался расцветом исследования космоса. Небывалый скачок сделала астрофизика. Появились космические телескопы, межпланетные зонды, детекторы внеземных излучений. Началось детальное изучение физических данных различных тел Солнечной планеты. С помощью современной техники ученые обнаружили экзопланеты и новые светила, в том числе радиогалактики, пульсары и квазары.

Космос продолжает таить в себе множество неразгаданных загадок. Изучаются гравитационные волны, темная энергия, темная материя, ускорение расширения Вселенной и ее структура. Дополняется теория Большого взрыва. Данные, которые можно получить в земных условиях, несоизмеримо малы по сравнению с тем, сколько работы у ученых есть в космосе.

Ключевые проблемы, стоящие перед физиками сегодня, включают в себя несколько фундаментальных вызовов: разработку квантового варианта гравитационной теории, обобщение квантовой механики, объединение в одну теорию всех известных сил взаимодействия, поиск «тонкой настройки Вселенной», а также точное определение явления темной энергии и темной материи.

fb.ru

Физика для ВСЕХ!!!!: Учёные физики. Их открытия.

Будущий ученый родился в Германии. С детства Эйнштейн любил математику, философию, увлекался чтением научно-популярных книг. За образованием Альберт отправился в технологический институт, где изучал любимую науку. В 1902 году стал сотрудником патентного бюро. За годы работы там он опубликует несколько успешных научных работ. Первые его труды связаны с термодинамикой и взаимодействием между молекулами. В 1905 году одна из работ была принята как диссертация, и Эйнштейн стал доктором наук. Альберту принадлежали множество революционных идей об энергии электронов, природе света и фотоэффекте. Самой важной стала теория относительности. Выводы Эйнштейна преобразили представления человечества о времени и пространстве. Абсолютно заслуженно он был отмечен Нобелевской премией и признан во всем научном мире. 2) Никола Тесла. 

Изобретатель в области электротехники и радиотехники сербского происхождения, инженер, физик. Родился и вырос в Австро-Венгрии, в последующие годы в основном работал во Франции и США. В 1891 году получил гражданство США.

Также он известен как сторонник существования эфира: известны многочисленные его опыты и эксперименты, имевшие целью показать наличие эфира как особой формы материи, поддающейся использованию в технике. Современники-биографы считают Теслу «человеком, который изобрёл XX век» и «святым заступником» современного электричества. После демонстрации радио и победы в «Войне токов» Тесла получил повсеместное признание как выдающийся инженер-электротехник и изобретатель. Ранние работы Теслы проложили путь современной электротехнике, его открытия раннего периода имели инновационное значение. В США по известности Тесла мог конкурировать с любым изобретателем или учёным в истории и популярной культуре.

3) Исаак Ньютон 

Изобретения и высказывания великих физиков часто становятся своего рода метафорами, но легенда про яблоко и закон тяготения известнее всех. Каждому знаком Исаак Ньютон, герой этой истории, согласно которой он и открыл закон тяготения. Кроме того, ученый разработал интегральное и дифференциальное исчисление, стал изобретателем зеркального телескопа и написал немало фундаментальных трудов по оптике. Современные физики считают его создателем классической науки. Ньютон родился в бедной семье, обучался в простой школе, а затем в Кембридже, параллельно работая слугой, чтобы оплатить учебу. Уже в ранние годы к нему пришли идеи, которые в будущем станут основой для изобретения систем исчислений и открытия закона тяготения. В 1669 году он стал преподавателем кафедры, а в 1672-м – членом Лондонского королевского общества. В 1687 году был опубликован важнейший труд под названием «Начала». За неоценимые достижения в 1705 году Ньютону даровали дворянство.

4) Джеймс Максвелл 

Великие физики и их открытия заслуживают всяческого интереса. Так, Джеймс-Клерк Максвелл добился впечатляющих результатов, с которым стоит ознакомиться всякому. Он стал основоположником теорий электродинамики. Ученый родился в дворянской семье и получил образование в университетах Эдинбурга и Кембриджа. За достижения был принят в Лондонское королевское общество. Максвелл открыл Кавендишскую лабораторию, которая была оборудована по последнему слову техники для проведения физических экспериментов. В ходе работы Максвелл изучал электромагнетизм, кинетическую теорию газов, вопросы цветного зрения и оптики. Проявил себя и как астроном: именно он установил, что кольца Сатурна устойчивы и состоят из не связанных частиц. Занимался также изучением динамики и электричества, оказав серьезное влияние на Фарадея. Исчерпывающие трактаты о многих физических явлениях до сих пор считаются актуальными и востребованными в научной среде, делая Максвелла одним из величайших специалистов в данной сфере. 5) Майкл Фарадей Майкл Фарадей (1791 — 1867) — английский физик и химик, основоположник учения об электромагнитном поле. Сделал за свою жизнь столько научных открытий, что их хватило бы десятку ученых, чтобы обессмертить свое имя.Фарадей осуществил сжижение хлора и некоторых других газов, получил бензол. В 1821 г. он впервые наблюдал вращение магнита вокруг проводника с током и проводника с током вокруг магнита, создал первую модель электродвигателя. В течение последующих 10 лет Фарадей занимался исследованием связи между электрическими и магнитными явлениями. Его исследования увенчались открытием в 1831 г. явления электромагнитной индукции. Фарадей детально изучил это явление, вывел его основной закон, выяснил зависимость индукционного тока от магнитных свойств среды, исследовал явление самоиндукции и экстратоки замыкания и размыкания. Открытие явления электромагнитной индукции сразу же приобрело огромное научное и практическое значение; это явление лежит, например, в основе работы всех генераторов постоянного и переменного тока.Стремление выявить природу электрического тока привело Фарадея к экспериментам по прохождению тока через растворы кислот, солей и щелочей. Результатом этих исследований стало открытие в 1833 г. законов электролиза (законы Фарадея). В 1845 г. Фарадей обнаружил явление вращения плоскости поляризации света в магнитном поле (эффект Фарадея). В том же году он открыл диамагнетизм, в 1847 г. – парамагнетизм. Фарадей ввёл в науку ряд понятий – катода, анода, ионов, электролиза, электродов; в 1833 г. он изобрел вольтметр. Используя огромный экспериментальный материал, Фарадей доказал тождественность известных тогда «видов» электричества: «животного», «магнитного», термоэлектричества, гальванического электричества и т.д.

6) Андре-Мари Ампер

Французский физик появился на свет в семье коммерсанта из Лиона. Библиотека родителей была полна трудов ведущих ученых, писателей и философов. С детства Андре увлекался чтением, что помогло ему обрести глубокие знания. К двенадцати годам мальчик уже изучил основы высшей математики, а в следующем году представил свои работы в Лионскую Академию. Вскоре он начал давать частные уроки, а с 1802-го трудился преподавателем физики и химии, сначала в Лионе, а затем и в Политехнической школе Парижа. Через десять лет его избрали членом Академии наук. Имена великих физиков нередко связаны с понятиями, изучению которых они посвятили жизнь, и Ампер не исключение. Он занимался проблемами электродинамики. Единица силы электрического тока измеряется в амперах. Кроме того, именно ученый ввел многие используемые и сейчас термины. Например, это определения «гальванометр», «напряжение», «электрический ток» и многие другие. 

7) Эрнест Резерфорд

Эрнест Резерфорд — английский физик, разгадал природу индуцированной радиоактивности, открыл эманацию тория, радиоактивный распад и его закон. Резерфорда нередко справедливо называют одним из титанов физики ХХ века.В 1898 г. он начал изучать радиоактивность. Первое же фундаментальное открытие Резерфорда в этой области — обнаружение неоднородности излучения, испускаемого ураном — сделало его имя известным в научном мире; благодаря ему в науку вошло понятие об альфа- и бета-излучении. Сразу же после приезда в Англию в 1907 году Резерфорд занялся экспериментальными исследованиями радиоактивности. Вместе с ним работал его помощник и ученик, немецкий физик Ханс Гейгер (1882-1945), разработавший ионизационный метод измерения интенсивности излучения — широко известный счетчик Гейгера. Резерфорд произвел серию опытов, подтвердивших, что альфа-частицы представляют собой дважды ионизованные атомы гелия. Вместе с другим своим учеником, Эрнестом Марсденом (1889-1970), он исследовал особенности прохождения альфа-частиц через тонкие металлические пластинки. На основании этих опытов ученый предложил планетарную модель атома: в центре атома — ядро, вокруг которого вращаются электроны. Резерфорд предсказал открытие нейтрона, возможность расщепления атомных ядер легких элементов и искусственных ядерных превращений.

blogphisics.blogspot.com

Открытия в физике: XX век

ХХ век – век научных революций. Открытия, сделанные в этом веке, изменили ход человеческой цивилизации.

Квантовая теория Планка

Макс Планк

В самом начале ХХ века, в 1900 г., профессор Берлинского университета Макс Планк вывел формулу, описывающую распределение энергии в спектре абсолютно чёрного тела. До открытия Планка считалось, что энергия распределяется равномерно. Но Планк доказал, что она распределяется порциями – квантами. Планк сделал доклад Немецкому физическому обществу 14 декабря 1900 г. Конечно же, ему никто не поверил.

Но уже в 1905 г. на основании выводов Планка Эйнштейн создал квантовую теорию фотоэффекта. А Нильс Бор построил модель атома, в которой электроны вращались по строго определённым орбитам, излучая энергию только в момент перехода из одной орбиты на другую.

Благодаря гениальному открытию Планка учёные поняли, как ведут себя электроны. Впоследствии теория Планка дала мощный толчок развитию электроники, генной инженерии, атомной энергетики.

Теория относительности Эйнштейна

Альберт Эйнштейн

Второе великое научное открытие ХХ века – общая теория относительности Эйнштейна, или теория гравитации.

В 1905 г. Эйнштейн создал специальную теорию относительности. Эйнштейн сделал вывод, что различные наблюдатели по-разному воспринимают любые события, даже пространство и время. Например, для пассажира трамвая предмет, который он уронит на пол, будет падать вертикально вниз. А для наблюдателя на улице этот предмет падает по параболе, так как трамвай движется. То есть, описание любого события зависит от системы отсчёта, в которой находится наблюдатель. Если изменится система отсчёта, то изменится и описание события. Но законы природы от наблюдателя не зависят. И они будут одни и те же для всех систем отсчёта, движущихся с постоянной скоростью. А общая теория относительности, созданная Эйнштейном в 1916 г., распространяет этот принцип на все системы отсчёта, даже на те, которые движутся с ускорением.

Эйнштейн доказал, что гравитация – это следствие искривления четырёхмерного пространства — времени. Теория Эйнштейна дала объяснение эффекта замедления времени. С помощью этой теории рассчитали орбиту планеты Меркурий, объяснили, почему искривляются лучи звёзд, когда проходят рядом с другими звёздами.

Открытие транзистора

Уильям Шокли, Джон Бардин, Уолтер Браттейн

Без сомнения, открытие транзистора является одним из важнейших открытий в истории человечества.

Первый рабочий транзистор был создан в 1947 г. американскими физиками Уолтер Браттейном, Уильямом Шокли и Джоном Бардиным. Вначале эти великие учёные продемонстрировали опыт, в котором с помощью обычной скрепки для бумаг, золотой фольги и небольшого количества германия увеличили силу тока в сотни раз. Это случилось 16 декабря. А уже через неделю было готово устройство, которое можно было считать действующим транзистором. В июне 1948 г. был создан радиоприёмник, где привычные электронные лампы были заменены транзисторами.

В 1956 г. авторы первого транзистора получили Нобелевскую премию за своё изобретение. А уже в 1958 г. была продемонстрирована первая интегральная схема, которая представляла собой два транзистора, расположенные на одной подложке из кремния.

В электронике началась новая транзисторная эра. Транзисторы заменили лампы повсюду – в телевизорах, радиоприёмниках, ламповых компьютерах.

Если бы не открытие транзистора, современные компьютеры не существовали бы в таком виде, как сейчас. Они не обладали бы таким огромным быстродействием и большой памятью. Не существовало бы жидкокристаллических мониторов, ноутбуков и мобильных телефонов.

Конечно, современные транзисторы отличаются от тех, которые были созданы в середине ХХ века. Технологии изменились. И на одной подложке размещаются уже миллионы транзисторов.

www.phisiki.com

История великих открытий в физике

Перенесемся мысленно на сто с хвостиком лет назад и попробуем представить себе, каково было в то время положение в науке. В физике шла тогда величайшая революция, вызванная удивительными открытиями конца позапрошлого века и начала прошлого. Одно за другим следовали блестящие открытия, в свете которых материя представлялась иной, чем рисовалось ученым еще так недавно. Тогда были открыты лучи Рентгена (1895), радиоактивность (Веккерель, 1896), электрон (Томсон, 1897), радий (супруги Кюри, 1899), создана теория радиоактивного распада атомов (Резерфорд и Содли, 1902). Электрон предстал не только как мельчайшая частица отрицательного электричества, но и как общая составная часть всех атомов, как кирпичик всех атомных построек. С этого момента идея неизменного, неделимого атома, идея вечных, не превращающихся друг в друга химических элементов, которая много веков господствовала в умах ученых, внезапно рухнула, причем окончательно и бесповоротно.

Одновременно начались открытия в области световых явлений. В 1900 году были сделаны два замечательных открытия в оптике. Планк открыл дискретный (атомистический) характер излучения и ввел понятие кванта действия; Лебедев измерил (а значит, экспериментально открыл) давление света. Отсюда логически следовало, что свет должен обладать массой.

Спустя еще несколько лет (в 1905 году) Эйнштейн создал теорию относительности (ее специальный принцип) и вывел из нее фундаментальный закон современной физики — закон взаимосвязи массы и энергии. Одновременно он выдвинул понятие фотона (или «атома света»).

Рубеж XIX и XX веков был периодом глубочайшей ломки старых физических понятий. Рушилась вся старая, по сути дела, механистическая, картина мира. Ломались не только понятия атома и элемента, но и понятия массы и энергии, вещества и света, пространства и времени, движения и действия. На место понятия неизменной массы, не зависящей от скорости движения тела, пришло понятие массы, меняющейся по своей величине в зависимости от того, с какой скоростью движется тело. На место понятия непрерывного движения и действия пришло представление об их дискретном, квантовом характере. Если энергетические явления математически описывались раньше непрерывными функциями, то теперь пришлось вводить для их описания прерывисто меняющиеся величины.

Пространство и время выступили не как внешние по отношению к материи, к движению и друг к другу формы бытия, а как зависимые и от них и друг от друга. Вещество и свет, разделенные ранее абсолютной перегородкой, обнаружили общность своих свойств (наличие массы, хотя качественно и различной) и своего строения (дискретный, зернистый характер).

Но не только крушением устаревших представлений характеризовалось то время: на руинах старых принципов, подвергшихся всеобщему разгрому (по выражению Л. Пуанкаре) стали уже то тут, то там возводиться первые теоретические постройки, но они еще не были охвачены общим планом, не были сведены в общий архитектурный ансамбль научных представлений.

«От атома отошли», значит, перестали по-старому считать атом пределом познания, последней частицей материи, дальше которой двигаться нельзя, некуда. «До электрона не дошли», значит, еще не создали нового представления о строении атома из электронов (включая и представление о положительном заряде в атоме).

Создание новой электронной теории строения материи стало центральной задачей физиков. Для решения этой задачи необходимо было ответить, прежде всего, на следующие четыре вопроса.

Первый вопрос. Как распределен или где сосредоточен внутри атома положительный электрический заряд? Одни физики полагали, что он равномерно распределен по всему атому, другие считали, что он находится в центре атома, словно «нейтральное светило» миниатюрной солнечной системы, которую, по их предположению, представляет собой атом.

Второй вопрос. Как ведут себя электроны внутри атома? Одни ученые думали, что электроны наглухо закреплены в атоме, как бы вкраплены в него, и образуют статическую систему, другие же, напротив, допускали, что электроны с огромной скоростью движутся внутри атома по определенным орбитам.

Третий вопрос. Сколько электронов может быть в атоме того или иного химического элемента? На этот вопрос не давалось даже предположительного ответа.

Четвертый вопрос. Как распределяются электроны внутри атома: слоями или и виде хаотического роя? На этот вопрос нельзя было дать никакого ответа, по крайней мере, до тех пор, пока оставалось неустановленным общее число электронов в атоме.

Ответ на первый вопрос был получен в 1911 году. Бомбардируя атомы положительно заряженными альфа-частицами, Резерфорд установил, что альфа-частицы свободно пронизывали атом во всех направлениях и на всех его участках, кроме центра. Близ центра частицы явно отклонялись от прямолинейного пути, как если бы они испытывали отталкивающее воздействие, исходящее из центра атома. Когда же частицы оказывались направленными прямо в центр атома, они отскакивали назад, как если бы в центре находилось чрезвычайно прочное, твердое зернышко. Это свидетельствовало о том, что положительный заряд атома действительно сосредоточен в ядре атома, равно как и почти вся масса атома. Резерфорд вычислил на основании полученных им опытных данных, что по своим размерам ядро атома в сто тысяч раз меньше самого атома. (Диаметр атома около 10 см, диаметр ядра около 10—13 см.)

Но если это так, то электроны не могут находиться в неподвижном состоянии внутри атома: их там ничто не может закрепить на одном месте. Напротив, они должны двигаться вокруг ядра, подобно тому как планеты движутся вокруг Солнца.

Так намечался ответ на второй вопрос. Однако окончательный ответ на него удалось добыть не сразу. Дело в том, что, согласно представлениям классической электродинамики, электрически заряженное тело, двигающееся в электромагнитном поле, должно непрерывно терять свою энергию. В результате этого электрон должен был постепенно приближаться к ядру и наконец, пасть на него. На деле же ничего подобного не происходит, атом ведет себя как вполне устойчивая система.

Не зная, как решить возникшую перед ними трудность, физики не могли дать определенного ответа на второй вопрос. Но пока продолжались поиски ответа па второй вопрос, неожиданно пришел ответ на третий.

…В конце XIX века многим ученым казалось, что ответ на вопрос о том, каково же строение материи, даст периодический закон химических элементов. Так думал и сам Д. И. Менделеев. Физические открытия, сделанные на рубеже XIX и XX веков, казалось бы, никак не были связаны с этим законом и стояли от него особняком.

В итоге сложились как бы две самостоятельные, изолированные друг от друга линии научного развития: одна — старая, начавшаяся еще в 1869 году (когда был открыт периодический закон) и продолжавшаяся в XX веке (это была, так сказать, химическая линия), другая — новая, возникшая в 1895 году, когда началась «новейшая революция в естествознании» (физическая линия).

Не связанность обеих линий научного развития усугублялась еще и тем, что многие химики представляли себе периодическую систему Менделеева как трактующую о неизменности химических элементов. Новая же физика, наоборот, исходила целиком из представлений о превращающихся и разрушающихся элементах.

Грандиозный бросок естествознания вперед стал возможным, прежде всего, благодаря тому, что две линии научного развития — «химическая» (идущая от периодического закона) и «физическая» (идущая от рентгеновых лучей, радиоактивности, электрона и кванта) — слились, взаимно обогатив друг друга.

В 1912 году в лаборатории Резерфорда появился молодой физик Мозли. Он выдвинул свою собственную тему, которую Резерфорд горячо одобрял. Мозли хотел выяснить зависимость между местом элементов (речь шла о металлах) в периодической системе Менделеева и характеристическим рентгеновским спектром того же элемента. Здесь была гениальна сама идея, сам замысел задуманной работы связать периодический закон с экспериментальными данными рентгеновского анализа. Как это нередко бывает в науке, правильная постановка проблемы дала сразу же ключ к ее решению.

В 1913 году Мозли нашей решение проблемы. Из математически обработанных Данных рентгеновского спектра того или иного химического элемента при помощи несложных операций он выводил некоторое целое число, специфичное для каждого элемента. Перенумеровав все элементы по порядку их расположения в периодической системе, Мозли увидел, что найденное из экспериментальных данных число N равняется порядковому номеру элемента в системе Менделеева. Это был решающий шаг к тому, чтобы ответить на третий вопрос.

В самом деле. Каков физический смысл числа N? Почти одновременно несколько физиков ответили так: «Число N указывает величину положительного заряда атомного ядра (Z), а значит, и число электронов в оболочке нейтрального атома данного элемента». Такой ответ дали Нильс Вор, Мозли и голландский физик ван ден Брук.

Таким образом, начался прямой штурм одной из важнейших крепостей природы, еще не завоеванной к тому времени человеческим разумом, — электронного строения атома. Успех этого штурма обеспечивался начавшимся союзом идей химиков и физиков, своеобразным взаимодействием различных «родов войск».

В то время как Мозли открывал закон, носящий теперь его имя, сильная поддержка отряду науки, штурмующему вышеназванную крепость, пришла со стороны ученых, изучавших радиоактивные явления. В этой области были сделаны три важных открытия.

Во-первых, были установлены различные типы радиоактивного распада: альфа-распад, при котором из ядра вылетают альфа- частицы — ядра гелия: бета-распад (из ядра вылетают электроны) и гамма-распад (ядро испускает жесткое электромагнитное излучение). Во-вторых, оказалось, что существуют три различных радиоактивных ряда: урана, тория и актиния. В-третьих, было обнаружено, что при разных атомных весах некоторые члены одного ряда оказываются химически неотличимыми и неотделимыми от членов другого ряда.

Все эти явления требовали объяснения, и оно было дано в том же знаменательном 1913 году. Но об этом уже читайте в нашей следующей статье.

Автор: Б. Кедров.

P. S. О чем еще говорят британские ученые: о том, что для лучшего понимания многих физических открытий было бы здорово почитать труды ученых-первооткрывателей в оригинале – на английском языке. Для этого, пожалуй, не стоит пренебрегать такими вещами как английский для детей в Истре, ведь язык нужно учить смолоду, тем более если собираетесь в будущем читать на нем серьезные научные труды.

www.poznavayka.org

Интересные физические открытия

Физики никогда не успокаиваются. Новые особенности обнаруживаются не только в движении планет, новыми свойствами недавно был наделен и космический вакуум, разделяющий планеты. Привычное для нас представление о вакууме как о совершенной пустоте сменилось вполне обоснованной гипотезой, что вакуум при определенных условиях может… рождать на свет элементарные частицы.

Космический вакуум

Космический вакуум действительно нельзя считать пустотой — поле тяготения всегда пронизывает его. А при появлении невероятно сильного электромагнитного или ядерного поля в вакууме могут возникнуть частицы, которые в обычном спокойном состоянии пространства ничем себя не обнаруживают. Сейчас ученые обдумывают эксперименты, которые подтвердили бы или опровергли эту интересную и важную для дальнейшего развития физики гипотезу.

Физики продолжают углубленно изучать не только свойства вакуума, но и структуру твердых тел, предполагая использовать для исследовательских целей все более энергичное излучение с малой длиной волны. Советский физик А. Ф. Тулинов и шведские исследователи В. Домей и К. Бьерквист «осветили» кристаллы не рентгеновским излучением или электронным лучом, а… пучком протонов. Рассеиваясь на ядрах атомов кристаллов, протоны дали возможность получить на фотопленке очень четкое изображение кристаллической решетки, определить положение отдельных атомов. Плавно изменяя энергию пучка протонов и глубину их проникновения в исследуемые образцы, авторы нового метода структурного анализа смогли получить снимки дефектов кристаллической решетки на различной глубине от поверхности без разрушения кристаллов.

Кристаллы различных веществ, пристально рассмотренные под ярким «светом» частиц высоких энергий, оказались отнюдь не похожими на холодное царство из неподвижно застывших геометрически правильных рядов атомов. Под влиянием вводимых примесей, при воздействии температуры, давления, электрического и магнитного полей в столь невозмутимых внешне кристаллах могут происходить удивительные превращения: например, в одних из них рост температуры вызывает исчезновение металлических свойств, в других наблюдается обратная картина — изолирующий кристалл, не пропускавший электрический ток, становится металлом.

Линии электропередач и спутники Земли — символы крупных технических достижений физики XIX и XX веков. Какие изобретения и открытия ознаменуют успехи физики будущих веков?

Советский физик Э. Л. Нагаев теоретически предсказал, что при определенных условиях только отдельные области в кристаллах будут изменять свои свойства. Кристаллы некоторых полупроводников становятся при этом похожими на… пудинги с изюмом: изюминки представляют собой проводящие шарики, разделенные диэлектрическими прослойками, и в целом такой кристалл не пропускает электрический ток. Тепло и магнитное поле могут заставить шарики соединиться друг с другом, изюминки будто растворяются в пудинге — и кристалл превращается в проводник электрического тока. Эксперименты вскоре подтвердили возможность осуществления в кристаллах подобных переходов…

Не все, однако, удается предсказать и рассчитать заранее. Часто толчком для создания новых теорий служат непонятные результаты экспериментов в лаборатории или странные явления, которые внимательному наблюдателю удается подметить в Природе.

Солитоны

Одно из таких явлений — солитоны, или одиночные волны, которые сейчас активно обсуждаются и исследуются многими физиками,— впервые было замечено… в августе 1834 года. Английский ученый первой половины прошлого века Дж. Скотт Рассел оставил нам такое описание: «Я следил за движением бота, который быстро тащила по узкому каналу пара лошадей. Когда он внезапно остановился, масса воды в канале, которую приводил в движение бот, пришла вблизи носа судна в состояние сильного волнения, внезапно оторвалась от него, покатилась вперед с огромной скоростью, приняв форму большого уединенного возвышения, округлого, гладкого и хорошо выраженного, которое продолжило свой путь по каналу без видимого изменения формы или уменьшения скорости».

Только через полвека теоретики получили уравнение движения такой одинокой волны. В наши дни волны-солитоны обнаружены при особых условиях на воде, в потоке заряженных ионов, во время распространения звука, оптических волн, лучей лазера и даже… при движении электрического тока.

Волна, которую мы привыкли видеть и описывать как равномерное колебание многих частиц среды или электромагнитного поля, неожиданно превращается в сгусток энергии, одиноко и быстро бегущий в любой среде — в жидкости, газе, твердом теле. Солитоны несут с собой всю энергию обычной волны, и, если причины их возникновения будут хорошо изучены, возможно, в недалеком будущем именно они начнут переносить энергию любого вида, необходимую человеку, на большие расстояния, например снабжать жилые дома электричеством, полученным полупроводниковыми фотоэлементами в космосе из солнечного света…

Полупроводниковые фотоэлементы и фотоэлектронные умножители, которые показывает автор книги, мгновенно превращают световое излучение любой длины волны в электрическую энергию, чутко откликаются на свет Солнца и далеких звезд.

Солитоны обладают свойствами не только волн, но и частиц. Японский физик Нарюши Асано, давно изучающий физические процессы, приводящие к возникновению одиноких волн, считает, что ученые должны прежде всего получить ответы на два важных вопроса: какую роль играют солитоны в природе и являются ли они элементарными частицами?

Лямбда-гиперон

Непрерывен поиск ученых в области элементарных частиц, в разработке теории, которая объединила бы теперь все виды взаимодействий, обнаруженных в природе. Физики-теоретики считают также, что во Вселенной могут существовать атомы, чьи ядра состоят не только из нейтронов и протонов. Один вид таких необычных ядер был обнаружен экспериментально в космических лучах польскими физиками еще в 1935 году: кроме протонов и нейтронов, в них оказалась еще одна сравнительно долгоживущая и сильно взаимодействующая частица — лямбда-гиперон. Такие ядра получили название гиперядер.

Сейчас физики изучают поведение гиперядер, рожденных на ускорителях, и внимательно анализируют состав приходящих к Земле космических лучей, пытаясь обнаружить еще более необычные частицы вещества.

Просторы Вселенной продолжают приносить физикам новые открытия. Несколько лет назад в космосе была обнаружена гравитационная линза. Свет, излучаемый одним из квазаров, далекой и яркой звездой, отклоняясь полем тяготения галактик, расположенных между Землей и квазаром, создавал иллюзию, что в этом участке неба расположены… два квазара-близнеца.

Ученые доказали, что раздвоение изображения возникает по законам преломления света, только этот оптический «прибор» имеет огромные размеры!

Воссоздать Природу на лабораторном столе

Но не только теоретические модели и наблюдения за природой помогают ученым понять суть мира малого и большого. Изобретательные физики-экспериментаторы умудряются воссоздать Природу на лабораторном столе.

Недавно в научном журнале «Физика плазмы» появилось сообщение об удачной попытке воспроизвести в земных условиях… вспышки на Солнце. Группа исследователей Физического института им. П. Н. Лебедева в Москве сумела смоделировать в лабораторной установке магнитное поле Солнца; в момент резкого разрыва тока, протекавшего по слою проводящего газа в этом поле, возникло сильное рентгеновское излучение — точь-в-точь как на Солнце в момент вспышки! Ученым стало яснее, отчего возникают грозные явления Природы — солнечные вспышки…

Физики из Грузии воссоздали звездные процессы и провели изящные и интересные опыты, вращая (с внезапными остановками) относительно друг друга цилиндрические и сферические сосуды, заполненные жидким гелием, при тех очень низких температурах, когда гелий становится сверхтекучим. Физики очень похоже имитировали «звездотрясение» пульсаров, которое может произойти, если внешний «нормальный» слой радиоисточника в какой-то момент начнет вращаться с меньшей скоростью, чем сверхтекучее ядро пульсара.

Оказывается, даже явления, происходящие на расстоянии нескольких миллиардов световых лет от нас, можно экспериментально получить на Земле…

Исследователи узнают много интересного и необычного о Природе в их вечном стремлении к истине. Несмотря на все величие достижений науки XX века, физики не забывают слова одного из их коллег: «…существование людей зависит от любознательности и сострадания. Любознательность без сострадания — бесчеловечна. Сострадание без любознательности — бес-полезно…»

Многих ученых сейчас интересуют не только грандиозные процессы выделения энергии нейтронными звездами или мгновенные превращения элементарных частиц; их волнует открытая современной физикой возможность разнообразной помощи биологам и медикам, помощи человеку теми великолепными устройствами и сложными приборами, которыми владеют пока лишь представители точных наук.

Физика и философия

Одно очень важное свойство роднит физику с философией, из которой она вышла,— физика может убедительно, с помощью цифр и фактов ответить на вопрос любознательного человека: велик или мал мир, в котором мы живем? И тут же возникает вопрос-близнец: велик или мал человек?

Ученый и писатель Блез Паскаль называл человека «мыслящим тростником», подчеркивая тем самым, что человек хрупок, слаб и беззащитен перед явно превосходящими силами неживой Природы; единственное оружие и защита человека — его мысль.

Вся история физики убеждает, что обладание этим неосязаемым и невидимым оружием дает возможность человеку проникнуть необычайно глубоко в мир бесконечно малых элементарных частиц и достичь самых далеких уголков нашей необъятной Вселенной.

Физика показывает нам, как велик и в то же время близок мир, в котором мы живем. Физика позволяет почувствовать человеку все свое величие, всю необыкновенную силу мысли, которая делает его самым могущественным существом на свете.

«Я не становлюсь богаче, сколько бы ни приобретал земель…— писал Паскаль,— а вот с помощью мысли я охватываю Вселенную».

Источник: Марк Колтун “Мир физики“.

www.thingshistory.com

Важнейшие открытия в области физики

Изучать физику значит изучать Вселенную. Точнее, как работает Вселенная. Вне всяких сомнений, физика — самая интересная ветвь науки, поскольку Вселенная куда сложнее, чем кажется, и она вмещает в себя все сущее.

На скорости света время останавливается

Согласно специальной теории относительности Эйнштейна, скорость света неизменна — и равна приблизительно 300 000 000 метров в секунду, вне зависимости от наблюдателя. Это само по себе невероятно, учитывая что ничто не может двигаться быстрее света, но все еще сугубо теоретично. В специальной теории относительности есть интересная часть, которая называется «замедление времени» и которая говорит, что чем быстрее вы движетесь, тем медленнее для вас движется время, в отличие от окружения. Если вы будете ехать на автомобиле час, вы постареете немного меньше, чем если бы просто сидели у себя дома за компьютером. Дополнительные наносекунды вряд ли существенно изменят вашу жизнь, но все же факт остается фактом.

Выходит, если двигаться со скоростью света, время вообще застынет на месте? Это так. Но прежде чем вы попытаетесь стать бессмертным, учтите, что двигаться со скоростью света невозможно, если вам не повезло родиться светом. С технической точки зрения движение со скоростью света потребует бесконечного количества энергии.

Квантовая запутанность

Только что мы пришли к выводу, что ничто не может двигаться быстрее, чем со скоростью света. Что ж… и да, и нет. Хотя технически это остается верным, в теории существует лазейка, которую нашли в самой невероятной ветви физики — в квантовой механике.

Квантовая механика, по сути, это изучение физики на микроскопических масштабах, таких как поведение субатомных частиц. Эти типы частиц невероятно малы, но крайне важны, поскольку именно они образуют строительные блоки всего во Вселенной. Можете представить их как крошечные вращающиеся электрически заряженные шарики. Без лишних сложностей.

Итак, у нас есть два электрона (субатомных частиц с отрицательным зарядом). Квантовая запутанность — это особый процесс, который связывает эти частицы таким образом, что они становятся идентичными (обладают одинаковым спином и зарядом). Когда это происходит, с этого момента электроны становятся идентичными. Это означает, что если вы измените один из них — скажем, измените спин — второй отреагирует незамедлительно. Вне зависимости от того, где он находится. Даже если вы его не будете трогать. Влияние этого процесса потрясающее — вы понимаете, что в теории эту информацию (в данном случае, направление спина) можно телепортировать куда угодно во вселенной.

Гравитация влияет на свет

Вернемся к свету и поговорим об общей теории относительности (тоже за авторством Эйнштейна). В эту теорию входит понятие, известное как отклонение света — путь света не всегда может быть прямым.

Как бы это странно ни звучало, это было доказано неоднократно. Хотя у света нет никакой массы, его путь зависит от вещей, у которых эта масса есть — вроде солнца. Поэтому если свет от далекой звезды пройдет достаточно близко к другой звезде, он обогнет ее. Как это касается нас? Да просто: возможно, те звезды, которые мы видим, находятся совсем в других местах. Помните, когда в следующий раз будете смотреть на звезды: все это может быть просто игра света.

Темная материя

Благодаря некоторым теориям, которые мы уже обсудили, у физиков есть довольно точные способы измерения общей массы, присутствующей во Вселенной. Также у них есть довольно точные способы измерения общей массы, которую мы можем наблюдать — но вот незадача, два этих числа не совпадают.

На самом деле, объем общей массы во Вселенной значительно больше, чем общая масса, которую мы можем посчитать. Физикам пришлось искать объяснение этому, и в результате появилась теория, включающая темную материю — таинственное вещество, которое не испускает света и берет на себя примерно 95% массы во Вселенной. Хотя существование темной материи формально не доказано (потому что мы не можем ее наблюдать), в пользу темной материи говорит масса свидетельств, и она должна существовать в той или иной форме.

Наша Вселенная быстро расширяется

Понятия усложняются, и чтобы понять почему, нам нужно вернуться к теории Большого Взрыва. До того как стать популярным телешоу, теория Большого Взрыва была важным объяснением происхождения нашей Вселенной. Если проще: наша вселенная началась со взрыва. Обломки (планеты, звезды и прочее) распространились во всех направлениях, движимые огромной энергией взрыва. Поскольку обломки достаточно тяжелые, мы ожидали, что это взрывное распространение должно замедлиться со временем.

Но этого не произошло. На самом деле, расширение нашей Вселенной происходит все быстрее и быстрее с течением времени. И это странно. Это означает, что космос постоянно растет. Единственный возможный способ объяснить это — темная материя, а точнее темная энергия, которая и вызывает это постоянное ускорение. А что такое темная энергия? Вам  лучше не знать.

Любая материя — это энергия

Материя и энергия — это просто две стороны одной медали. На самом деле, вы всегда это знали, если когда-нибудь видели формулу  E = mc 2. E — это энергия, а m — масса. Количество энергии, содержащейся в конкретном количестве массы, определяется умножением массы на квадрат скорости света.

Объяснение этого явления весьма захватывает и связано с тем, что масса объекта возрастает по мере приближения к скорости света (даже если время замедлится). Доказательство довольно сложное, поэтому можете просто поверить на слово. Посмотрите на атомные бомбы, которые преобразуют довольно небольшие объемы материи в мощные выбросы энергии.

Корпускулярно-волновой дуализм

Некоторые вещи не так однозначны, какими кажутся. На первый взгляд, частицы (например, электрон) и волны (например, свет) кажутся совершенно разными. Первые — твердые куски материи, вторые — пучки излучаемой энергии, или что-то типа того. Как яблоки и апельсины. Оказывается, вещи вроде света и электронов не ограничиваются лишь одним состоянием — они могут быть и частицами, и волнами одновременно, в зависимости от того, кто на них смотрит.

Серьезно. Звучит смешно, но существуют конкретные доказательства того, что свет — это волна, и свет — это частица. Свет — это и то, и другое. Одновременно. Не какой-то посредник между двумя состояниями, а именно и то и другое. Мы вернулись в область квантовой механики, а в квантовой механике Вселенная любит именно так, а не иначе.

Все объекты падают с одинаковой скоростью

Многим может показаться, что тяжелые объекты падают быстрее, чем легкие — это звучит здраво. Наверняка, шар для боулинга падает быстрее, чем перышко. Это действительно так, но не по вине гравитации — единственная причина, по которой получается так, в том, что земная атмосфера обеспечивает сопротивление. Еще 400 лет назад Галилей впервые понял, что гравитация работает одинаково на всех объектах, вне зависимости от их масс. Если бы вы  повторили эксперимент с шаром для боулинга и пером на Луне (на которой нет атмосферы), они упали бы одновременно.

Квантовая пена

Ну все. На этом пункте можно тронуться умом.

Вы думаете, что пространство само по себе пустое. Это предположение довольно разумное — на то оно и пространство, космос. Но Вселенная не терпит пустоты, поэтому в космосе, в пространстве, в пустоте постоянно рождаются и гибнут частицы. Они называются виртуальными, но на самом деле они реальны, и это доказано. Они существуют доли секунды, но это достаточно долго, чтобы сломать некоторые фундаментальные законы физики. Ученые называют это явление «квантовой пеной», поскольку оно ужасно напоминает газовые пузырьки в безалкогольном газированном напитке.

Эксперимент с двойной щелью

Выше мы отмечали, что все может быть и частицей, и волной одновременно. Но вот в чем загвоздка: если в руке лежит яблоко, мы точно знаем, какой оно формы. Это яблоко, а не какая-нибудь яблочная волна. Что же определяет состояние частицы? Ответ: мы.

Эксперимент с двумя щелями — это просто невероятно простой и загадочный эксперимент. Вот в чем он заключается. Ученые размещают экран с двумя щелями напротив стены и выстреливают пучком света через щель, чтобы мы могли видеть, где он будет падать на стену. Поскольку свет — это волна, он создаст определенную дифракционную картину, и вы увидите полоски света, рассыпанные по всей стене. Хотя щели было две.

Но частицы должны реагировать иначе — пролетая через две щели, они должны оставлять две полоски на стене строго напротив щелей. И если свет — это частица, почему же он не демонстрирует такое поведение? Ответ заключается в том, что свет будет демонстрировать такое поведение — но только если мы захотим. Будучи волной, свет пролетает через обе щели одновременно, но будучи частицей, он будет пролетать только через одну. Все, что нам нужно, чтобы превратить свет в частицу — измерять каждую частицу света (фотон), пролетающую сквозь щель. Представьте себе камеру, которая фотографирует каждый фотон, пролетающий через щель. Этот же фотон не может пролетать через другую щель, не будучи волной. Интерференционная картина на стене будет простой: две полоски света. Мы физически меняем результаты события, просто измеряя их, наблюдая за ними.

Это называется «эффект наблюдателя». И хотя это хороший способ закончить эту статью, она даже поверхностно не копнула в совершенно невероятные вещи, которые находят физики. Есть куча вариаций эксперимента с двойной щелью, еще более безумные и интересные. Можете поискать их, только если не боитесь, что квантовая механика засосет вас с головой.

Авг 21, 2017Геннадий

zhizninauka.info

Элементарные частицы | ЭТО ФИЗИКА

Существование элементарных частиц ученые обнаружили при исследовании ядерных процессов, поэтому вплоть до середины XX века физика элементарных частиц была разделом ядерной физики. В настоящее время эти разделы физики являются близкими, но самостоятельными, объединенными общностью многих рассматриваемых проблем и применяемыми методами исследования. Главная задача физики элементарных частиц – это исследование природы, свойств и взаимных превращений элементарных частиц.

Представление о том, что мир состоит из фундаментальных частиц, имеет долгую историю. Впервые мысль о существовании мельчайших невидимых частиц, из которых состоят все окружающие предметы, была высказана за 400 лет до нашей эры греческим философом Демокритом. Он назвал эти частицы атомами, т. е. неделимыми частицами. Наука начала использовать представление об атомах только в начале XIX века, когда на этой основе удалось объяснить целый ряд химических явлений. В 30-е годы XIX века в теории электролиза, развитой М. Фарадеем, появилось понятие иона и было выполнено измерение элементарного заряда. Конец XIX века ознаменовался открытием явления радиоактивности (А. Беккерель,1896), а также открытиями электронов (Дж. Томсон 1876) и α-частиц (Э. Резерфорд, 1899). В 1905 году в физике возникло представление о квантах электромагнитного поля – фотонах (А. Эйнштейн).

В 1911 году было открыто атомное ядро (Э. Резерфорд) и окончательно было доказано, что атомы имеют сложное строение. В 1919 году Резерфорд в продуктах расщепления ядер атомов ряда элементов обнаружил протоны. В 1932 году Дж. Чедвик открыл нейтрон. Стало ясно, что ядра атомов, как и сами атомы, имеют сложное строение. Возникла протон-нейтронная теория строения ядер (Д.Д Иваненко и В.Гейзенберг). В том же 1932 году в космических лучах был открыт позитрон (К. Андерсон). Позитрон – положительно заряженная частица, имеющая ту же массу и тот же (по модулю) заряд, что и электрон. Существование позитрона было предсказано П. Дираком в 1928 году. В эти годы были обнаружены и исследованы взаимные превращения протонов и нейтронов и стало ясно, что эти частицы также не являются неизменными элементарными «кирпичиками» природы. В 1937 году в космических лучах были обнаружены частицы с массой в 207 электронных масс, названные
мюонами (μ-мезонами). Затем в 1947–1950 годах были открыты пионы (т. е. π-мезоны), которые, по современным представлениям, осуществляют взаимодействие между нуклонами в ядре. В последующие годы число вновь открываемых частиц стало быстро расти. Этому способствовали исследования космических лучей, развитие ускорительной техники и изучение ядерных реакций.

В настоящее время известно около 400 субъядерных частиц, которые принято называть элементарными. Подавляющее большинство этих частиц являются нестабильными. Исключение составляют лишь фотон, электрон, протон и нейтрино. Все остальные частицы через определенные промежутки времени испытывают
самопроизвольные превращения в другие частицы. Нестабильные элементарные частицы сильно отличаются друг от друга по временам жизни. Наиболее долгоживущей частицей является нейтрон. Время жизни нейтрона порядка 15 мин. Другие частицы «живут» гораздо меньшее время. Например, среднее время жизни μ-мезона равно 2,2·10^–6 с, нейтрального π-мезона – 0,87·10^–16 с. Многие массивные частицы – гипероны – имеют среднее время жизни порядка 10^–10 с.

Существует несколько десятков частиц со временем жизни, превосходящим 10^–17 с. По масштабам микромира это значительное время. Такие частицы называют относительно стабильными. Большинство короткоживущих элементарных частиц имеют времена жизни порядка 10^–22–10^–23 с.

Способность к взаимным превращениям – это наиболее важное свойство всех элементарных частиц. Они способны рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться). Это относится также и к стабильным частицам с той только разницей, что превращения стабильных частиц происходят не самопроизвольно, а при взаимодействии с другими частицами. Примером может служить
аннигиляция (т. е. исчезновение) электрона и позитрона, сопровождающаяся рождением фотонов большой энергии. Может протекать и обратный процесс – рождение электронно-позитронной пары, например, при столкновении фотона достаточно большой энергии с ядром. Такой опасный двойник, каким для электрона является позитрон, есть и у протона. Он называется антипротоном. Электрический заряд антипротона отрицателен. В настоящее время античастицы найдены у всех частиц. Античастицы противопоставляются частицам потому, что при встрече любой частицы со своей античастицей происходит их аннигиляция, т. е. обе частицы исчезают, превращаясь в кванты излучения или другие частицы.

Античастица обнаружена даже у нейтрона. Нейтрон и антинейтрон отличаются только знаками магнитного момента и так называемого барионного заряда. Возможно существование атомов антивещества, ядра которых состоят из антинуклонов, а оболочка – из позитронов. При аннигиляции антивещества с веществом энергия покоя превращается в энергию квантов излучения. Это огромная энергия, значительно превосходящая ту, которая выделяется при ядерных и термоядерных реакциях.

В многообразии элементарных частиц, известных к настоящему времени, обнаруживается более или менее стройная система классификации. В табл. 6.9.1 представлены некоторые сведенья о свойствах элементарных частиц со временем жизни более 10^–20 с. Из многих свойств, характеризующих элементарную частицу, в таблице указаны только масса частицы (в электронных массах), электрический заряд (в единицах элементарного заряда) и момент импульса (так называемый
спин) в единицах постоянной Планка h = h / 2π. В таблице указано также среднее время жизни частицы.

Группа Название частицы Символ Масса (в электронных массах) Электрический заряд Спин Время жизни (с) Частица Античастица Фотоны Фотон γ 1 Стабилен Лептоны Нейтрино электронное νe 1 / 2 Стабильно Нейтрино мюонное νμ 1 / 2 Стабильно Электрон e– e+ 1 –1      1 1 / 2 Стабилен Мю-мезон μ– μ+ 206,8 –1      1 1 / 2 2,2•10–6 Адроны Мезоны Пи-мезоны π0 264,1 0,87•10–16 π+ π– 273,1 1      –1 2,6•10–8 К-мезоны K + K – 966,4 1      –1 1,24•10–8 K 0 974,1 ≈ 10–10–10–8 Эта-нуль-мезон η0 1074 ≈ 10–18 Барионы Протон p 1836,1 1      –1 1 / 2 Стабилен Нейтрон n 1838,6 1 / 2 898 Лямбда-гиперон Λ0 2183,1 1 / 2 2,63•10–10 Сигма-гипероны Σ + 2327,6 1      –1 1 / 2 0,8•10–10 Σ 0 2333,6 1 / 2 7,4•10–20 Σ – 2343,1 –1      1 1 / 2 1,48•10–10 Кси-гипероны Ξ 0 2572,8 1 / 2 2,9•10–10 Ξ – 2585,6 –1      1 1 / 2 1,64•10–10 Омега-минус-гиперон Ω– 3273 –1      1 1 / 2 0,82•10–11

Таблица 6.9.1

Элементарные частицы объединяются в три группы: фотоны, лептоны и адроны.

К группе фотонов относится единственная частица – фотон, которая является носителем электромагнитного взаимодействия.

Следующая группа состоит из легких частиц – лептонов. В эту группу входят два сорта нейтрино (электронное и мюонное), электрон и μ-мезон. К лептонам относятся еще ряд частиц, не указанных в таблице. Все лептоны имеют спин 1/2 .

Третью большую группу составляют тяжелые частицы, называемые адронами. Эта группа делится на две части. Более легкие частицы составляют подгруппу мезонов. Наиболее легкие из них – положительно и отрицательно заряженные, а также нейтральные π-мезоны с массами порядка 250 электронных масс (табл. 6.9.1). Пионы являются квантами ядерного поля, подобно тому, как фотоны являются квантами электромагнитного поля. В эту подгруппу входят также четыре K-мезона и один η⁰-мезон. Все мезоны имеют спин, равный нулю.

Вторая подгруппа – барионы – включает более тяжелые частицы. Она является наиболее обширной. Самыми легкими из барионов являются нуклоны – протоны и нейтроны. За ними следуют так называемые гипероны. Замыкает таблицу омега-минус-гиперон, открытый в 1964 г. Это тяжелая частица с массой в 3273 электронных масс. Все барионы имеют спин 1/2 .

Обилие открытых и вновь открываемых адронов навела ученых на мысль, что все они построены из каких-то других более фундаментальных частиц. В 1964 г. американским физиком М. Гелл-Манном была выдвинута гипотеза, подтвержденная последующими исследованиями, что все тяжелые частицы – адроны – построены из более фундаментальных частиц, названных кварками. На основе кварковой гипотезы не только была понята структура уже известных адронов, но и предсказано существование новых. Теория Гелл-Мана предполагала существование трех кварков и трех антикварков, соединяющихся между собой в различных комбинациях. Так, каждый барион состоит из трех кварков, антибарион – из трех антикварков. Мезоны состоят из пар кварк–антикварк.

С принятием гипотезы кварков удалось создать стройную систему элементарных частиц. Однако предсказанные свойства этих гипотетических частиц оказались довольно неожиданными. Электрический заряд кварков должен выражаться дробными числами, равными 2/3 и 1/3   элементарного заряда.

Многочисленные поиски кварков в свободном состоянии, производившиеся на ускорителях высоких энергий и в космических лучах, оказались безуспешными. Ученые считают, что одной из причин ненаблюдаемости свободных кварков являются, возможно, их очень большие массы. Это препятствует рождению кварков при тех энергиях, которые достигаются на современных ускорителях. Тем не менее, большинство специалистов сейчас уверены в том, что кварки существуют внутри тяжелых частиц – адронов.

Фундаментальные взаимодействия. Процессы, в которых участвуют различные элементарные частицы, сильно различаются по энергиям и характерным временам их протекания. Согласно современным представлениям, в природе осуществляется четыре вида взаимодействий, которые не могут быть сведены к другим, более простым видам: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Эти виды взаимодействий называют фундаментальными.

Сильное (или ядерное) взаимодействие – наиболее интенсивное. Оно обуславливает исключительно прочную связь между протонами и нейтронами в ядрах атомов. В сильном взаимодействии могут принимать участие только тяжелые частицы – адроны (мезоны и барионы). Сильное взаимодействие проявляется на расстояниях порядка 10^–15 м и менее. Поэтому его называют короткодействующим.

Электромагнитное взаимодействие. В нем могут принимать участие любые электрически заряженные частицы, а так же фотоны – кванты электромагнитного поля. Электромагнитное взаимодействие ответственно, в частности, за существование атомов и молекул. Оно определяет многие свойства веществ в твердом, жидком и газообразном состояниях. Кулоновское отталкивание протонов приводит к неустойчивости ядер с большими массовыми числами. Электромагнитное взаимодействие обуславливает процессы поглощения и излучения фотонов атомами и молекулами вещества и многие другие процессы физики микро- и макромира.

Слабое взаимодействие – определяет ход наиболее медленных процессов, протекающих в микромире. В нем могут принимать участие любые элементарные частицы, кроме фотонов. Слабое взаимодействие ответственно за протекание процессов с участием нейтрино или антинейтрино, например, β-распад нейтрона

а также безнейтринные процессы распада частиц с большим временем жизни (τ ≥ 10^–10 с).

Гравитационное взаимодействие присуще всем без исключения частицам, однако из-за малости масс элементарных частиц силы гравитационного взаимодействия между ними пренебрежимо малы и в процессах микромира их роль несущественна. Гравитационные силы играют решающую роль при взаимодействии космических объектов (звезд, планет и т. п.) с их огромными массами.

В 30-е годы XX века возникла гипотеза о том, что в мире элементарных частиц взаимодействия осуществляются посредством обмена квантами какого-либо поля. Эта гипотеза первоначально была выдвинута нашими соотечественниками И.Е. Таммом и Д.Д Иваненко. Они предположили, что фундаментальные взаимодействия возникают в результате обмена частицами, подобно тому, как ковалентная химическая связь атомов возникает при обмене валентными электронами, которые объединяются на незаполненных электронных оболочках.

Взаимодействие, осуществляемое путем обмена частицами, получило в физике название обменного взаимодействия. Так, например, электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами, возникает вследствие обмена фотонами – квантами электромагнитного поля.

Теория обменного взаимодействия получила признание после того, как в 1935 г. японский физик Х. Юкава теоретически показал, что сильное взаимодействие между нуклонами в ядрах атомов может быть объяснено, если предположить, что нуклоны обмениваются гипотетическими частицами, получившими название мезонов. Юкава вычислил массу этих частиц, которая оказалась приблизительно равной 300 электронным массам. Частицы с такой массой были впоследствии действительно обнаружены. Эти частицы получили название π-мезонов (пионов). В настоящее время известны три вида пионов: π⁺, π^– и π⁰ (см. табл. 6.9.1).

В 1957 году было теоретически предсказано существование тяжелых частиц, так называемых векторных бозонов W⁺, W^– и Z⁰, обуславливающих обменный механизм слабого взаимодействия. Эти частицы были обнаружены в 1983 году в экспериментах на ускорителе на встречных пучках протонов и антипротонов с высокой энергией. Открытие векторных бозонов явилось очень важным достижением физики элементарных частиц. Это открытие ознаменовало успех теории, объединившей электромагнитное и слабое взаимодействия в единое так называемое электрослабое взаимодействие. Эта новая теория рассматривает электромагнитное поле и поле слабого взаимодействия как разные компоненты одного поля, в котором наряду с квантом участвуют векторные бозоны.

После этого открытия в современной физике значительно возросла уверенность в том, что все виды взаимодействий тесно связаны между собой и, по существу, являются различными проявлениями некоторого единого поля. Однако объединение всех взаимодействий остается пока лишь привлекательной научной гипотезой (Единой Теорией поля).

Физики-теоретики прилагают значительные усилия, чтобы рассмотреть на единой основе не только электромагнитное и слабое, но и сильное взаимодействие. Эта теория получила название Великого объединения. Ученые предполагают, что и у гравитационного взаимодействия должен быть свой переносчик – гипотетическая частица, названная гравитоном. Однако эта частица до сих пор не обнаружена.

В настоящее время считается доказанным, что единое поле, объединяющее все виды взаимодействия, может существовать только при чрезвычайно больших энергиях частиц, недостижимых на современных ускорителях. Такими большими энергиями частицы могли обладать только на самых ранних этапах существования Вселенной, которая возникла в результате так называемого Большого взрыва (Big Bang). Космология – наука об эволюции Вселенной – предполагает, что Большой взрыв произошел около 13,7 миллиардов лет тому назад. В стандартной модели эволюции Вселенной предполагается, что в первый период после взрыва температура могла достигать 10³² К, а энергия частиц E = kT достигать значений 10¹⁹ ГэВ. В этот период материя существовала в форме кварков и нейтрино, при этом все виды взаимодействий были объединены в единое силовое поле. Постепенно по мере расширения Вселенной энергия частиц уменьшалась, и из единого поля взаимодействий сначала выделилось гравитационное взаимодействие (при энергиях частиц ≤ 10¹⁹ ГэВ), а затем сильное взаимодействие отделилось от электрослабого (при энергиях порядка 10¹⁴ ГэВ). При энергиях порядка 10³ ГэВ все четыре вида фундаментальных взаимодействий оказались разделенными. Одновременно с этими процессами шло формирование более сложных форм материи – нуклонов, легких ядер, ионов, атомов и т. д. Космология в своей модели пытается проследить эволюцию Вселенной на разных этапах ее развития от Большого взрыва до наших дней, опираясь на законы физики элементарных частиц, а также ядерной и атомной физики.

www.its-physics.org

Частица (физика) — это… Что такое Частица (физика)?

Элемента́рная части́ца — собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить (или пока это не доказано) на составные части. Их строение и поведение изучается физикой элементарных частиц. Понятие элементарных частиц основывается на факте дискретного строения вещества. Ряд элементарных частиц имеет сложную внутреннюю структуру, однако разделить их на части невозможно. Другие элементарные частицы являются бесструктурными и могут считаться первичными фундаментальными частицами.

Со времён первого открытия элементарной частицы (электрона) в 1897 году обнаружено уже более 400 элементарных частиц.

Классификация

По величине спина все элементарные частицы делятся на два класса:

По видам взаимодействий элементарные частицы делятся на следующие группы:

Составные частицы:

Фундаментальные (бесструктурные) частицы:

• лептоны — фермионы, которые имеют вид точечных частиц (т. е. не состоящих ни из чего) вплоть до масштабов порядка 10⁻¹⁸ м. Не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (электроны, мюоны, тау-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино. Известны 6 типов лептонов.
• кварки — дробнозаряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии не наблюдались. Как и лептоны, делятся на 6 типов и являются бесструктурными, однако, в отличие от лептонов, участвуют в сильном взаимодействии.
• калибровочные бозоны — частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия:

Адроны и лептоны образуют вещество. Калибровочные бозоны — это кванты разных видов излучения.

Кроме того, в Стандартной Модели с необходимостью присутствует хиггсовский бозон, который, впрочем, пока ещё не обнаружен экспериментально.

Первоначально термин «элементарная частица» подразумевал нечто абсолютно элементарное, первокирпичик материи. Однако, когда в 1950-х и 1960-х годах были открыты сотни адронов с похожими свойствами, стало ясно, что по крайней мере адроны обладают внутренними степенями свободы, т. е. не являются в строгом смысле слова элементарными. Это подозрение в дальнейшем подтвердилось, когда выяснилось, что адроны состоят из кварков.

Таким образом, мы продвинулись ещё немного вглубь строения вещества: самыми элементарными, точечными частями вещества сейчас считаются лептоны и кварки. Для них (вместе с калибровочными бозонами) и применяется термин «фундаментальные частицы».

Стандартная модель

Стандартная модель включает в себя 12 ароматов фермионов, соответствующие им античастицы, а также калибровочные бозоны (фотон, глюоны, W- и Z-бозоны), которые переносят взаимодействия между частицами, и не обнаруженный на данный момент бозон Хиггса, отвечающий за наличие массы у частиц. Однако Стандартная модель в значительной степени рассматривается скорее как теория временная, а не действительно фундаментальная, поскольку она не включает в себя гравитацию и содержит несколько десятков свободных параметров (массы частиц и т. д.), значения которых не вытекают непосредственно из теории. Возможно, существуют элементарные частицы, которые не описываются Стандартной моделью, такие как гравитон (частица, переносящая гравитационные силы) или суперсимметричные партнёры обычных частиц.

Фермионы

12 ароматов фермионов разделяются на 3 семейства (поколения) по 4 частицы в каждом. Шесть из них — кварки. Другие шесть — лептоны, три из которых являются нейтрино, а оставшиеся три несут единичный отрицательный заряд: электрон, мюон и тау-лептон.

Античастицы

Также существуют 12 фермионных античастиц, соответствующих вышеуказанным двенадцати частицам.

Кварки

Кварки и антикварки никогда не были обнаружены в свободном состоянии — это объясняется явлением конфайнмента.

См. также

Ссылки

Wikimedia Foundation.
2010.

dic.academic.ru

Тема 10. ФИЗИКА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

чения Le,Lμ,Lτ = 0, +1,−1. Например, e−, электронное нейтриноνe имеютLe = +l;eμ+ ,~νe имеютLe =− l. Все адроны имеютLe = Lμ = Lτ = 0 .

Барионное число В. Барионное число имеет значениеВ = 0, +1,−1. Барионы, например,n,р, Λ, Σ, нуклонные резонансы имеют барионное числоВ = +1. Мезоны, мезонные резонансы имеютВ = 0, антибарионы имеютВ =−1.

Странность s. Квантовое число s может принимать значения−3,−2,−1, 0, +1, +2, +3 и определяется кварковым составом адронов. Например, гипероны Λ, Σ имеютs =−l;K+- ,K–-мезоны имеютs = + l.

Charm с. Квантовое числос может принимать значения−3,−2,−1, 0, +1, +2, +3. В настоящее время обнаружены частицы, имеющие с = 0, +1 и−1. Например, барион Λ+ имеетс = +1.

Bottomness b. Квантовое числоb может принимать значения−3,−2,−1, 0, +1, +2, +3. В настоящее время обнаружены частицы, имеющиеb = 0, +1,−1. Например,В+-мезонимеетb = +1.

Topness t. Квантовое числоt может принимать значения−3,−2,−1, 0, +1, +2, +3. В настоящее время обнаружено всего одно состояние сt = +1.

Изоспин I. Сильновзаимодействующие частицы можно разбить на группы частиц, обладающих схожими свойствами (одинаковое значение спина, чётности, барионного числа, странности и др. квантовых чисел, сохраняющихся в сильных взаимодействиях)− изотопические мультиплеты. Величина изоспинаI определяет число частиц, входящих в один изотопический мультиплет,n ир составляет изотопический дуплет

I = 1/2; Σ+, Σ−, Σ0, входят в составизотопического триплета I = 1, Λ− изотопический синглет I = 0, число частиц, входящих в одинизотопический мультиплет, 2I + 1.

G − четность − это квантовое число, соответствующее симметрии относительно одновременной операции зарядового сопряженияс и изменения знака третьего компонентаI изоспина.G-четностьсохраняется только в сильных взаимодействиях.

10.4.Странные частицы

Вначале 50-хгодов ХХ в. было обнаружено, что некоторые из недавно открытых частиц, а именноK, Λ, Σ, ведут себя странно в двух

отношениях.

•Во-первых,они всегда рождаются парами. Например, реакция

π− + p → K 0 + Λ0 проходит с вероятностью, близкой к 1, а реакция

studfiles.net

Элементарные частицы (физика) — Традиция

Материал из свободной русской энциклопедии «Традиция»

Элемента́рные части́цы — собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить на составные части. Их строение и поведение изучается физикой элементарных частиц. Понятие элементарных частиц основывается на факте дискретного строения вещества. Ряд элементарных частиц имеет сложную внутреннюю структуру, однако разделить их на части невозможно. Другие элементарные частицы являются бесструктурными и могут считаться первичными фундаментальными частицами.

Всего вместе с античастицами открыто более 350 элементарных частиц. Из них стабильны фотон, электронное и мюонное нейтрино, электрон, протон и их античастицы. Остальные элементарные частицы самопроизвольно распадаются за время от приблизительно 1000 секунд (для свободного нейтрона) до ничтожно малой доли секунды (от 10⁻²⁴ до 10⁻²², для резонансов).

Строение и поведение элементарных частиц изучается физикой элементарных частиц.

Размеры элементарных частиц[править]

Несмотря на большое разнообразие элементарных частиц, их размеры укладываются в две группы. Размеры адронов (как барионов, так и мезонов) составляют около 10⁻¹⁵ м, что близко к среднему расстоянию между входящими в них кварками. Размеры фундаментальных, бесструктурных частиц — калибровочных бозонов, кварков и лептонов — в пределах погрешности эксперимента согласуются с их точечностью (верхний предел диаметра составляет около 10⁻¹⁸ м). Если в дальнейших экспериментах окончательные размеры этих частиц не будут обнаружены, то это может свидетельствовать о том, что размеры калибровочных бозонов, кварков и лептонов близки к фундаментальной длине (которая весьма вероятно^[2] может оказаться планковской длиной, равной 1,6·10⁻³⁵ м).

traditio.wiki

Элементарные частицы « Интереcно о науке

Элементарные частицы – это основные компоненты энергии и материи. Их изучение занимается физика элементарных частиц. Элементарные частицы также иногда называют фундаментальными частицами. Они принадлежат к классу частиц, принадлежащих к классу субатомных, то есть размером меньше атома.

Физики изучают элементарные частицы в основном с помощью специальных приборов – ускорителей частиц. Ускорители частиц обеспечивают высокую энергию, которая разгоняет атомы на встречу друг другу. В результате столкновения они разрушаются на составляющие, что и дает ученым возможность для исследования.

До открытия электрона английским физиком Томсоном в 1897 году, ученые полагали, что наименьшими единицами материи были атомы. Об этом говорит их название, так как в переводе с греческого атом – неделимый. Однако к 1950 году ученые уже обладали знаниями о большом количестве субатомных частиц, как через изучение космических лучей, так и в ускорителях субатомных частиц.

В физике элементарные частицы классифицируются на 3 основные группы: кварки, лептоны и бозоны.

Кварки являются основными составляющими субатомных частиц, называемых адронами. Два из наиболее важных видов адронов, которые составляют ядра атомов – это нейтроны и протоны. Существует целый ряд различных видов кварков, каждый из которых обладает зарядом, который называется цветом. Для каждого вида кварков существует также антикварки, заряды которых равны по значению, но противоположны по знакам обычным частицам.

Кварки также как и антикварки всегда объединяются в группы по 2 или по 3. Сочетание кварка и антикварка образует очень недолгое соединение называемое мезоном. Комбинации из трех кварков образуют соединение, называемое барионом, к которым относятся протоны и нейтроны.

К лептонам относятся электроны, несколько видов нейтрино и их античастиц.

Бозоны – это элементарные частицы, которые переносят энергию от других элементарных частиц. Кварки создают и поглощают бозоны, называемые глюонами. Кварки объединяются вместе, образуя мезоны и барионы, через постоянный обмен глюонами. Фотоны – это бозоны, которыми обмениваются лептоны.

В середине 1980-х годов ученые стали приходить к теории о том, что элементарные субатомные частицы – это не точки, а имеют ленточное строение. Это дало толчок к разработке новых теорий строения материи и взаимодействия фундаментальных частиц.

coolsci.ru

Физика элементарных частиц — Традиция

Для других видов использования слова «частица» в физике и в других местах, см. Частица (значения).

Физика элементарных частиц — это отрасль физики , которая изучает природу элементарных частиц, составляющих то, что обычно называют материей en:Matter и излучением. В нынешнем понимании частиц — возбуждение квантовых полей и их динамические взаимодействия. Хотя слово частица en:Particle может использоваться в отношении многих объектов (например, протон, газ-частица, или даже бытовая пыль), термин физика элементарных частиц обычно относится к изучению мельчайших частиц и фундаментальных полей, которые должны быть определены для того, чтобы объяснить наблюдаемые частицы. Они не могут быть определены путем комбинации других фундаментальных полей, т.е. метод выбора частиц комбинированием разными наборами полей. Текущий набор фундаментальных полей и их динамика приведены в теории, называемой стандартной моделью en:Standard_Model, поэтому физика элементарных частиц в значительной степени — это изучение стандартной модели частиц контента и его возможные расширения при нахождении недавнего бозона Хиггса en:Higgs_boson.^[1][2]

Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»[править]

Физика элементарных частиц и высоких энергий — передовая область современной науки, изучающая строительные блоки материи. Она регулярно оказывается в центре внимания широкой общественности не только благодаря фундаментальному характеру затрагиваемых вопросов (например, бозон Хиггса en:Higgs_boson.^[3], о вероятном открытии которого недавно заявили ученые, несет ответственность за наличие в природе массы), но и прикладным результатам своих исследований.

За последние пять лет несколько ведущих физических институтов, занятых фундаментальными исследованиями, сменили юрисдикцию и перешли — кто из РАН, а кто из «Росатома» — в национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», возглавляемый Михаилом Ковальчуком. При этом сотрудники одного из них, Института теоретической и экспериментальной физики, тут же начали жаловаться на препоны в работе.^[4]

Субатомные частицы[править]

Содержание частиц стандартной модели из физики

Современные научные исследования частиц по физике ориентированы на субатомные частицы, в том числе и атомные составляющие, такие как электроны, протоны и нейтроны (протоны и нейтроны, которые являются составной частью частиц, называемых барионами; изготовленные из кварков) частицы процессов радиоактивного рассеяния, таких как фотоны, нейтрино и мюоны en:Muon. Современные научные исследования частиц по физике также затрагивают широкий спектр теоретических экзотических частиц. Динамика частиц также регулируется квантовой механикой; они демонстрируют в виде волны-частицы en:Wave–particle_duality — отображение частиц как поведение при определенных экспериментальных условиях в виде волны как поведение в других условиях. В более технических терминах их описывают как квантовое состояние en:Wave–particle_duality векторов в Гильбертовом пространстве, которое рассматривается в квантовой теории поля en:Quantum_field_theory. Следующие Конвенции частиц, физики как понятие элементарных частиц, применяется для тех частиц, которые, согласно современному пониманию, предположительно неделимым и не состоят из других частиц.^[5]

Все частицы и их взаимодействие, наблюдаемых на сегодняшний день, могут быть описаны практически полностью с помощью квантовой теории поля, называемой стандартной моделью.^[6]Стандартная модель в настоящее время сформулирована и она содержит 61 элементарных частиц.^[5]

Те элементарные частицы, которые образуют составные частицы, бухгалтерского учета и для сотен других видов частиц были обнаружены с 1960-х годов. В стандартной модели было установлено, в согласии почти со всеми экспериментальными испытаниями, проведенные до настоящего времени. Однако большинство частиц физики считают, что это неполное описание природы, и, что более фундаментальную теорию ждет discovery (см. Теория всего). В последние годы при измерениях массы нейтрино позволили получить первые экспериментальные отклонения от стандартной модели (нейтрино масса первоначально является электрически нейтральной, со слабо взаимодействующими элементарными субатомными частицами).

Идея о том, что всё вещество состоит из элементарных частиц датируется, по крайней мере, в 6-м веке до нашей эры.^[7] В 19 веке, Джон Дальтон en:John_Dalton, и через его работу по стехиометрии en:Stoichiometry пришли к выводу, что каждый элемент природы, состоит из одного уникального типа частиц.^[8] Слово атом после греческого слова atomos означает «неделимый», обозначает — наименьшая частица химического элемента у физиков, но вскоре обнаружили, что атомы не являются, по сути, фундаментальными частицами природы, но и конгломераты даже более мелкие частицы, такие как электрон. В начале 20-го века исследования в области ядерной физики en:Nuclear_physics и квантовой физики en:Quantum_mechanics завершились доказательстваvb ядерного деления en:Nuclear_fission. В 1939 году Лиза Мейтнер (на основе экспериментов по Otto Hahn), ядерного синтеза en:Nuclear_fusion; Ханс бете в том же году; оба открытия, привели к разработке дерного оружия. На протяжении 1950-х и 1960-х годов, невероятным разнообразием частиц были обнаружены в экспериментах по упругому рассеянию en:Deep_inelastic_scattering. Это называется зоопарк частиц en:Particle_zoo. Этот устаревшим термин после формулировки стандартной модели в 1970-е годы, в которой большое количество частиц, объяснил, как сочетания (относительно) небольшого числа фундаментальных частиц.

Стандартные модели[править]

Современное состояние классификации всех элементарных частиц объясняется стандартной моделью en:Standard_Model. Она описывает сильные en:Strong_interaction, слабые en:Weak_interaction электромагнитные взаимодействия с помощью посредника калибровочных бозонов en:Gauge_boson. Видами калибровочных бозонов являются глюоны en:Gluon, W-, W+ и Z — бозоны en:W_and_Z_bosons и фотоны.^[6] Стандартная модель также содержит 24 фундаментальных частиц en:Elementary_particle, (12 частиц и связанных с ними анти-частиц), которые являются составляющими всех вопросов.^[9] Наконец, стандартная модель также предсказывает существование модели типа Хиггса en:Boson , известной как бозон Хиггса en:Higgs_boson. Рано утром 4 июля 2012 года физики на большом Адронном коллайдере в ЦЕРНЕ объявили, что они обнаружили новую частицу, которая ведет себя аналогично, что ожидается от бозона Хиггса.^[10]

Экспериментальные лаборатории[править]

В области физики элементарных частиц, крупнейшие международные лаборатории расположены в:

• Брукхейвенской Национальной Лаборатории (Лонг-Айленд, США) en:Brookhaven_National_Laboratory. Ее основной базой является Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) en:Relativistic_Heavy_Ion_Collider, которая сталкивается тяжелых ионов , таких как ионы золота и поляризованные протоны. Это первый в мире heavy ion collider, и единственный в мире коллайдер поляризованных протонов.^[11][не в цитировании данного]
• Им. Г.И. Будкера Институт ядерной физики (Новосибирск, Россия) en:Budker_Institute_of_Nuclear_Physics. Основные проекты сейчас электрон —позитронных коллайдеров ВЭПП-2000,^[12] эксплуатируется с 2006 года, и ВЭПП-4,^[13] начал эксперименты в 1994 году. Ранее ради удобства включают первый electron-electron beam-луч коллайдер ВЭП-1, который проводил эксперименты с 1964 по 1968 год; электрон-позитронный коллайдер ВЭПП-2, эксплуатируется с 1965 по 1974 г.; его преемник ВЭПП-2м,^[14] проведены эксперименты с 1974 по 2000 год.^[15]
• ЦЕРН en:CERN, (Франко-швейцарской границы, близ Женевы). Его главный проект сейчас находится на большом Адронном коллайдере (LHC), который провел свой первый луч обращения на 10 сентября 2008 года, и сейчас они в мире самые энергичные коллайдеры протонов. Он также стал самым энергичным коллайдером тяжелых ионов после начала столкновения ионов свинца. Раньше, в отеле есть большой Электрон-позитронный коллайдер (LEP), который был остановлен на 2 ноября 2000 года, а затем демонтирован, чтобы уступить дорогу для LHC; и супер-Протонный Синхротрон, который используется повторно в качестве предварительного ускорителя LHC.^[16]
• DESY en:DESY (Гамбург, Германия). Ее основной базой является адронное Электронное кольцо Anlage (HERA), которое вступает в противоставление электронов и позитронов с протонами.^[17]
• Fermilab en:DESY, (Батавия, США). Его основной объект до 2011 года был Tevatron, который занимался столкновениями протонов и антипротонов и был самым высоким в энергии частиц в коллайдере на земле до тех пор, пока большой адронный коллайдер превзошел его на 29 ноября 2009 года.^[18]
• KEK en:KEK, (г. Цукуба, Япония). Он является домом для ряда экспериментов, таких как K2K эксперимент, по экспериментам осцилляциям нейтрино и Belle, где ведутся эксперименты, измерения CP violation of B-мезонов.^[19]

Существуют многие другие ускорители частиц.

Методы, необходимые, чтобы сделать современную, экспериментальную физику частиц, весьма разнообразны и сложны, которые являются составляющими суб-специальностей, почти полностью отличаются от теоретической стороны поля.^[20]

Теоретическая физика элементарных частиц — попытки разработать модели, теоретические основы и математические инструменты, чтобы понять текущие эксперименты и делать прогнозы для будущих экспериментов. См. также теоретическая физика en:Theoretical_physics. Существуют несколько основных взаимосвязанных усилий, предпринимаемые в области теоретической физики элементарных частиц на сегодняшний день. Одним из важных — отдельно попытка лучше понять стандартную модель и ее испытания. Путем извлечения параметров стандартной модели — от экспериментов с меньшей неопределенностью. Эта работа исследует пределы стандартной модели и, следовательно, расширяет наше понимание природы строительных блоков. Эти усилия осуществляются сложно, наличие сложности расчёта величин в квантовой хромодинамике en:Quantum_chromodynamics. Некоторые теоретики, работающие в этой области называют себя phenomenologists en:Quantum_chromodynamics и они могут использовать инструменты квантовой теории поля en:Quantum_field_theory и эффективной теории поля en:Effective_field_theory. Другие делают ставку на использование решеточной теории поля en:Lattice_field_theory и называют себя теоретиками решетки.

Другие основные усилия в процессе создания модели, где строительство модели en:Model_building_(particle_physics) требует разработку идей для того, что бы физика могла лежать за пределами стандартной модели en:Physics_beyond_the_Standard_Model (при более высоких энергиях или меньших расстояниях). Эта работа часто мотивируется проблемами иерархии en:Hierarchy_problem и сдерживается существующими экспериментальными данными. Основные усилия могут включать в себя работы по суперсимметрии en:Supersymmetry, альтернативы Хиггсовского механизма en:Higgs_mechanism, дополнительных пространственных измерений (таких, как Рэндалл-Sundrum моделей en:Randall–Sundrum_model), Preon en:Preon теории, комбинации этих или других идей.

Третие значительные усилия в области теоретической физики элементарных частиц — теория струн en:String_theory. Струнные теоретики пытаются построить единое описание квантовой механики и общей теории относительности путем построения теории, основанной на малых струнах и мембранах en:Brane , а не на частицах. Если теория успешна, ее можно считать теорией всего en:Theory_of_everything.

Есть и другие направления работы в области теоретической физики элементарных частиц, начиная от частиц, космологии для петлевой квантовой гравитации en:Loop_quantum_gravity.

Это деление усилий в области физики элементарных частиц отражается в названиях категорий как: архивные en:wiki/ArXiv (имеющиеся теории), архива бумаг (не разработанных теорий en:Preprint):^[21] hep-th (теория), hep-ph (феноменология), hep-ex (эксперименты), hep-lat (решеточная калибровочная теория en:Lattice_gauge_theory).

Практические применения[править]

На снимке в стандартном ПЭТ—центре, оснащённый ECAT Exact HR+ ПЭТ-сканером. Подобные ПЭТ-сканеры неуклонно изменяют системы, сочетающие в себе оба ПЭТ-и КТ-сканера в единое ПЭТ/КТ устройство.

В принципе, все физика (и практические приложения, разработанные в ней) могут быть получены из исследования фундаментальных частиц. На практике, даже если физика элементарных частиц означает только высокую энергию сокрушителей атома, многие технологии были разработаны в ходе этих пионерских исследований, которые впоследствии нашли широкое применение в обществе. Циклотроны используются для производства медицинских изотопов, для исследования и лечения (например, изотопы, используемые в ПЭТ en:Positron_emission_tomography), или использовать непосредственно для определенных методов лечения рака. Разработка Сверхпроводников en:Superconductivity была выдвинута вперед для их применения в физике частиц. World Wide Web и технологии сенсорного управления, были первоначально разработаны в ЦЕРН en:CERN.

Дополнительные приложения в медицине, национальной безопасности, промышленности, вычислительной техники, науки, и развития трудовых ресурсов, иллюстрирующие долго и постоянно растущий список полезных практических приложений с помощью взносов от физики элементарных частиц.^[22]

Темная материя невидима. На основе эффекта гравитационного линзирования, кольцо из темной материи было обнаружено в образе galaxy cluster (CL0024+17) и представлено в синем цвете.^[23]

Основная цель, которая преследуется в нескольких различных способах исследований заключается в том, чтобы найти и понять, что физика может лежать за пределами стандартной модели en:Physics_beyond_the_Standard_Model. Есть несколько мощных экспериментальных оснований ожидать в появлении новой физики, в том числе и тайн тёмной материи en:Dark_matter и массы нейтрино en:Neutrino#MassNeutrino#Mass. Существуют также теоретические намеки на то, что новая физика должна быть найдена в доступных энергетических масштабах. Кроме того, там могут быть сюрпризы, которые дадут нам возможность узнать о их природе.

Много прикладывается усилий, чтобы найти этот новый физический закон, который сориентирован на новом коллайдере экспериментов. На большом Адронном коллайдере en:Large_Hadron_Collider (LHC) было завершено в 2008 году, чтобы помочь продолжить поиск бозона Хиггса en:Higgs_boson, суперсимметричных en:Superpartner частиц, и других новых физических явлений. Промежуточной целью является строительство Международного линейного коллайдера [:en:International_Linear_Collider] (ILC), который будет дополнять LHC за счёт счет более точных измерений характеристик вновь найденных частиц. В августе 2004 года решение для технологии МКТ было принято, но сайты до сих пор не согласованы.

Кроме того, существуют важные номера-коллайдеров экспериментов, которые также пытаются найти и понять физику за пределами стандартной модели en:Physics_beyond_the_Standard_Model. Одним из важных номеров-коллайдера являются усилия в определении нейтрино массы, поскольку эти массы могут возникнуть в результате смешивания нейтрино с очень тяжелыми частицами. Кроме того, космологические наблюдения en:Physical_cosmology дают много полезных ограничений по темной материи, хотя это может быть невозможно определить точную природу темной материи без коллайдеров. Наконец, нижние границы на очень долгое время жизни протона en:Proton_decay поставили ограничения на Grand Unified Theories en:Grand_Unified_Theory в энергии весов значительно выше, чем в коллайдере экспериментов, которые смогут зондировать природу тёмной материи в ближайшее время.

В мае 2014 года, в физике частиц приоритезации проектов панель en:Particle_Physics_Project_Prioritization_Panel опубликовала свой доклад по физике элементарных частиц, повлиявших на приоритеты финансирования в США в течение следующего десятилетия. В этом докладе подчеркивалось, продолжение участия США в LHC и ILC, и расширение Long Baseline Neutrino Experiment en:Long_Baseline_Neutrino_Experiment, среди других рекомендаций.

В начале октября 2014 года на коллайдере обнаружена новая частица, которую обнаружили у четырех кварков, названных tetraquark en:Tetraquark.^[24]

Дополнительная литература[править]

Вступительное чтение[править]

Расширенное чтение[править]

• David J. Griffiths Introduction to Elementary Particles. — Wiley, John & Sons, Inc, 1987. — ISBN 0-471-60386-4^>
• Gordon L. Kane Modern Elementary Particle Physics. — Perseus Books, 1987. — ISBN 0-201-11749-5^>
• Donald H. Perkins Introduction to High Energy Physics. — Cambridge University Press, 1999. — ISBN 0-521-62196-8

traditio.wiki

Физика элементарных частиц | Наука

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D0%BA%D0%B0_%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82%D0%B0%D1%80%D0%BD%D1%8B%D1%85_%D1%87%D0%B0%D1%81%D1%82%D0%B8%D1%86

---

Для других видов использования слова «частица» в физике и в других местах, см. Частица (значения).

Фи́зика элемента́рных части́ц (ФЭЧ) — это область физики , которая изучает природу элементарных частиц, составляющих то, что обычно называют материей и излучением. В нынешнем понимании частиц — возбуждение квантовых полей и их динамические взаимодействия. Хотя слово частица может использоваться в отношении многих объектов (например, протон, газ-частица, или даже бытовая пыль), термин физика элементарных частиц обычно относится к изучению мельчайших частиц и фундаментальных полей, которые должны быть определены для того, чтобы объяснить наблюдаемые частицы. Они не могут быть определены путем комбинации других фундаментальных полей, т.е. метод выбора частиц комбинированием разными наборами полей. Текущий набор фундаментальных полей и их динамика приведены в теории, называемой стандартной моделью, поэтому физика элементарных частиц в значительной степени — это изучение стандартной модели частиц контента и его возможные расширения при нахождении недавнего бозона Хиггса en:Higgs_boson.^[1][2]

(ФЭЧ), часто называемая также фи́зикой высо́ких эне́ргий — раздел физики, изучающий структуру и свойства элементарных частиц и их взаимодействия.

Теоретическая ФЭЧПравить

Основное орудие исследования в теоретической физике элементарных частиц — квантовая теория поля. Т.е. любая элементарная частица — это не «кусочек» какой-то сплошной материи, а определённое (одночастичное) возбуждение абстрактного гильбертового пространства. Можно сказать, что весь наш мир видится в ФЭЧ как вектор в гильбертовом пространстве состояний, который «вращается» в нем со временем.

Главным результатом современной теоретической физики элементарных частиц является Стандартная Модель. За последние пару десятков лет её предсказания были многократно перепроверены в экспериментах, и в настоящее время она — единственная физическая теория, адекватно описывающая устройство нашего мира вплоть до расстояний порядка 10⁻¹⁸м.

Взаимодействие частиц в ФЭЧ принципиально отличается от взаимодействия объектов в других областях физики. Например, в механике мы изучаем движение тел, которые, в принципе, могут друг с другом взаимодействовать. Однако как именно, за счет чего такое взаимодействие происходит — механика не изучает. В противоположность этому, ФЭЧ уделяет одинаковое внимание, как самим частицам, так и процессу их взаимодействия. Связано это с тем, что в ФЭЧ удается описать электромагнитное, сильное и слабое взаимодействие как обмен виртуальными частицами. Важным постулатом в таком описании явилось требование симметрии нашего мира относительно калибровочных преобразований.

Равноправие частиц и их взаимодействий красивым образом проявляется в суперсимметричных теориях, в которых постулируется существование в нашем мире ещё одной скрытой симметрии: суперсимметрии. Можно сказать, что при преобразовании суперсимметрии частицы превращаются во взаимодействия, а взаимодействия — в частицы.

Уже отсюда видна исключительная фундаментальность ФЭЧ — в ней делается попытка понять многие свойства нашего мира, которые до этого (в других разделах физики) принимались лишь как данность.

Экспериментальная ФЭЧПравить

Экспериментальная физика элементарных частиц делится на два больших класса: ускорительную и неускорительную.

Ускорительная ФЭЧ — это разгон долгоживущих элементарных частиц в ускорителе (коллайдере) до высоких энергий и столкновение их друг с другом или с неподвижной мишенью. В процессе такого столкновения удается получить очень высокую концентрацию энергии в микроскопическом объёме, что приводит к рождению новых, обычно нестабильных, частиц. Изучая характеристики таких реакций (количество рождённых частиц того или иного сорта, зависимость этого количества от энергии, типа, поляризации исходных частиц, от угла вылета и т. д.), можно восстановить внутреннюю структуру исходных частиц, их свойства, то, как они взаимодействуют друг с другом.

Неускорительная ФЭЧ — это процесс «пассивного наблюдения» за нашим миром. В неускорительных экспериментах поставщиком элементарных частиц является Природа, а от исследователя требуется лишь внимательно следить за происходящим. Типичные неускорительные эксперименты — наблюдение за нейтрино в так называемых нейтринных телескопах, ожидание распада протона, безнейтринного двойного бета-распада и прочих крайне редких событий в большом объеме вещества, эксперименты с космическими лучами.

Ошибка цитирования Для существующего тега <ref> не найдено соответствующего тега <references/>

ru.science.wikia.com

Основные положения молекулярно-кинетической теории

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: тепловое движение атомов и молекул вещества, броуновское движение, диффузия, взаимодействие частиц вещества, экспериментальные доказательства атомистической теории.

Великому американскому физику Ричарду Фейнману, автору знаменитого курса «Фейнмановские лекции по физике», принадлежат замечательные слова:

– Если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания оказались бы уничтоженными и к грядущим поколениям живых существ перешла бы только одна фраза, то какое утверждение, составленное из наименьшего количества слов, принесло бы наибольшую информацию? Я считаю, что — это атомная гипотеза (можете называть ее не гипотезой, а фактом, но это ничего не меняет): все тела состоят из атомов маленьких телец, которые находятся в беспрерывном движении, притягиваются на небольшом расстоянии, но отталкиваются, если одно из них плотнее прижать к другому. В одной этой фразе … содержится невероятное количество информации о мире, стоит лишь приложить к ней немного воображения и чуть соображения.

В этих словах заключена суть молекулярно-кинетической теории (МКТ) строения вещества. А именно, основными положениями МКТ являются следующие три утверждения.

1. Любое вещество состоит из мельчайших частиц молекул и атомов. Они расположены в пространстве дискретно, то есть на некоторых расстояниях друг от друга.
2. Атомы или молекулы вещества находятся в состоянии беспорядочного движения(это движение называется тепловым движением), которое никогда не прекращается.
3. Атомы или молекулы вещества взаимодействуют друг с другом силами притяжения и отталкивания, которые зависят от расстояний между частицами.

Эти положения являются обобщением многочисленных наблюдений и экпериментальных фактов. Давайте рассмотрим подробнее эти положения и приведём их опытное обоснование.

Например, — это молекула воды, состоящая из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Разделив её на атомы, мы перестанем иметь дело в веществом под названием «вода». Далее, разделив атомы и на составные части, мы получим набор протонов, нейтронов и электронов и тем самым потеряем информацию о том, что поначалу это были водород и кислород.

Атомы и молекулы называются для краткости просто частицами вещества. Чем именно является частица — атомом или молекулой — в каждом конкретном случае установить нетрудно. Если речь идёт о химическом элементе, то частицей будет атом; если же рассматривается сложное вещество, то его частица — это молекула, состоящая из нескольких атомов.

Далее, первое положение МКТ утверждает, что частицы вещества не заполняют пространство непрерывно. Частицы расположены дискретно, то есть как бы в отдельных точках. Между частицами имеются промежутки, величина которых может меняться в некоторых пределах.

В пользу первого положения МКТ свидетельствует явление теплового расширения тел. А именно, при нагревании увеличиваются расстояния между частицами вещества, и размеры тела возрастают. При охлаждении, наоборот, расстояния между частицами уменьшаются, в результате чего тело сжимается.

Ярким подтверждением первого положения МКТ служит также диффузия — взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга.

Например, на рис. 1 показан процесс диффузии в жидкости. Частицы растворимого вещества помещены в стакан с водой и расположены вначале в верхней левой части стакана. С течением времени частицы перемещаются (как говорят, диффундируют) из области высокой концентрации в область низкой концентрации. В конце концов концентрация частиц становится везде одинаковой — частицы равномерно распределяются по всему объёму жидкости.

Рис. 1. Диффузия в жидкости

Тепловое движение атомов и молекул

Напомним ещё раз формулировку второго положения МКТ: частицы вещества совершают беспорядочное движение (называемое также тепловым движением), которое никогда не прекращается.

Опытным подтверждением второго положения МКТ служит опять-таки явление диффузии ведь взаимное проникновение частиц возможно лишь при их беспрерывном движении! Но наиболее ярким доказательством вечного хаотического движения частиц вещества является броуновское движение. Так называется непрерывное беспорядочное движение броуновских частиц — пылинок или крупинок (размерами см), взвешенных в жидкости или газе.

Броуновское движение получило своё название в честь шотландского ботаника Роберта Броуна, увидевшего в микроскоп беспрерывную пляску взвешенных в воде частиц цветочной пыльцы. В доказательство того, что это движение совершается вечно, Броун нашёл кусок кварца с полостью, заполненной водой. Несмотря на то, что вода попала туда много миллионов лет назад, оказавшиеся там соринки продолжали своё движение, которое ничем не отличалось от того, что наблюдалось в других опытах.

Причина броуновского движения заключается в том, что взвешенная частица испытывает нескомпенсированные удары со стороны молекул жидкости (газа), причём в силу хаотичности движения молекул величина и направление результирующего воздействия абсолютно непредсказуемы. Поэтому броуновская частица описывает сложные зигзагообразные траектории (рис. 2).

Рис. 2. Броуновское движение

Кстати говоря, броуновское движение может рассматриваться и как доказательство самого факта существования молекул, т. е. также может служить опытным обоснованием первого положения МКТ.

Взаимодействие частиц вещества

Третье положение МКТ говорит о взаимодействии частиц вещества: атомы или молекулы взаимодействуют друг с другом силами притяжения и отталкивания, которые зависят от расстояний между частицами: при увеличении расстояний начинают преобладать силы притяжения, при уменьшении — силы отталкивания.

О справедливости третьего положения МКТ свидетельствуют силы упругости, возникающие при деформациях тел. При растяжении тела увеличиваются расстояния между его частицами, и начинают преобладать силы притяжения частиц друг к другу. При сжатии тела расстояния между частицами уменьшаются, и в результате преобладают силы отталкивания. В обоих случаях упругая сила направлена в сторону, противоположную деформации.

Другим подтверждением существования сил межмолекулярного взаимодействия служит наличие трёх агрегатных состояний вещества.

В газах молекулы удалены друг от друга на расстояния, значительно превышающие размеры самих молекул (в воздухе при нормальных условиях — примерно в 1000 раз). На таких расстояниях силы взаимодействия между молекулами практически отсутствуют, поэтому газы занимают весь предоставленный им объём и легко сжимаются.

В жидкостях промежутки между молекулами сравнимы с размерами молекул. Силы молекулярного притяжения весьма ощутимы и обеспечивают сохранение жидкостями объёма. Но для сохранения жидкостями ещё и формы эти силы недостаточно велики — жидкости, как и газы, принимают форму сосуда.

В твёрдых телах силы притяжения между частицами очень велики: твёрдые тела сохраняют не только объём, но и форму.

Переход вещества из одного агрегатного состояния в другое является результатом изменения величины сил взаимодействия между частицами вещества. Сами частицы остаются при этом неизменными.

Изопроцессы в газах

Изопроцессами называются процессы, протекающие при неизменном значении одного из параметров: давления ($р$), объема ($V$), температуры ($Т$).

В идеальном газе эти процессы подчиняются газовым законам.

Газовыми законами называются количественные зависимости между двумя параметрами газа при фиксированном значении третьего параметра.

Закон Бойля-Мариотта

Закон Бойля-Мариотта — один из основных газовых законов, он описывает изотермические процессы в газе.

Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянной температуре называется изотермическим.

Закон гласит:

Для данной массы произведение давления газа на его объем постоянно, если температура газа не меняется.

$pV=const$ при $T=const$

Этот закон был экспериментально открыт английским ученым Р. Бойлем в 1662 г., в 1676 г. его сформулировал также французский ученый Э. Мариотт.

Закон строго выполняется только для идеальных газов. Для реальных газов он выполняется достаточно хорошо при небольших давлениях и высоких температурах. Так, при давлении $100$ атм. и температуре $0°$С отклонение измеренного значения $рV$ от расчетного составляет $7%$. Закон Бойля-Мариотта, как и другие газовые законы, является следствием уравнения состояния идеального газа.

Графики зависимости $p(V)$ при $T=const$ ($p={const}/{V}$) называются изотермами и представляют собой равносторонние гиперболы (площади $S_1=S_2$). Чем выше температура, тем выше лежит соответствующая ей изотерма.

Закон Шарля

Давление $p$ данной массы газа при постоянном объеме пропорционально температуре.

$p=constT$ при $T=const$

Закон был открыт французским физиком Ж. Шарлем в 1787 году.

Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном объеме называется изохорным (от греч. hora — пространство).

Закон Шарля, как и другие газовые законы, является следствием уравнения состояния идеального газа:

${p}/{T}=const$ при $V=const$

Согласно ${p}/{T}=const$ при $V=const$, давление газа линейно зависит от температуры при постоянном объеме. Эта зависимость изображается прямой, которая называется изохорой. С ростом объема газа при постоянной температуре давление его, согласно закону Бойля—Мариотта, падает. Поэтому изохора, соответствующая большему объему, лежит ниже изохоры, соответствующей меньшему объему.

В соответствии с ${p}/{T}=const$ при $V=const$, все изохоры начинаются в точке $Т=0$ (давление идеального газа при абсолютном нуле равно нулю).

Изохорный процесс используется в газовых термометрах постоянного объема.

Закон Гей-Люссака

При постоянном давлении $р$ объем $V$ идеального газа меняется линейно с температурой.

То есть

$V=V_0(1+αt)$

где $V_0$ — начальный объем, $t$ — разность начальной и конечной температур. Коэффициент теплового расширения идеальных газов $α=({1}/{273.15})K^{-1}$ одинаков для всех газов.

Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном давлении называется изобарным (от греч. baros — вес, тяжесть).

Закон открыт французским ученым Ж. Гей-Люссаком в 1802 г. и независимо от него Дж. Дальтоном в 1801 г.

Закон Гей-Люссака, как и другие газовые законы, является следствием уравнения состояния идеального газа. Это становится очевидным, если в $V=V_0(1+αt)$ заменить $t$ абсолютной температурой $T=t+273.15$, а коэффициент расширения $α$ — его численным значением ${1}/{273.15}$:

$V=V_0{T}/{273.15}$

или

${V}/{T}=const$ при $p=const$

Для газа данной массы отношение объема к температуре постоянно, если давление газа не меняется.

Согласно ${V}/{T}=const$ при $p=const$, объем газа линейно зависит от температуры при постоянном давлении:

$V=constT$

Эта зависимость графически изображается прямой, которая называется изобарой.

Различным давлениям соответствуют разные изобары. С ростом давления объем газа при постоянной температуре, согласно закону Бойля—Мариотта, уменьшается, поэтому изобара, соответствующая более высокому давлению $р_2$, лежит ниже изобары, соответствующей более низкому давлению $р_1$.

В области низких температур все изобары идеального газа сходятся в точке $Т=0$, но это не означает, что объем реального газа действительно обращается в нуль. При низких температурах все газы обращаются в жидкости, а к жидкостям уравнение состояния не применимо.

Насыщенные и ненасыщенные пары

Насыщенный пар

При испарении одновременно с переходом молекул из жидкости в пар происходит и обратный процесс. Беспорядочно двигаясь над поверхностью жидкости, часть молекул, покинувших ее, снова возвращается в жидкость.

Если испарение происходит в закрытом сосуде, то сначала число молекул, вылетевших из жидкости, будет больше числа молекул, возвратившихся обратно в жидкость. Поэтому плотность пара в сосуде будет постепенно увеличиваться. С увеличением плотности пара увеличивается и число молекул, возвращающихся в жидкость. Довольно скоро число молекул, вылетающих из жидкости, станет равным числу молекул пара, возвращающихся обратно в жидкость. С этого момента число молекул пара над жидкостью будет постоянным. Для воды при комнатной температуре это число приблизительно равно $10^{22}$ молекул за $1с$ на $1см^2$ площади поверхности. Наступает так называемое динамическое равновесие между паром и жидкостью.

Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным паром.

Это означает, что в данном объеме при данной температуре не может находиться большее количество пара.

При динамическом равновесии масса жидкости в закрытом сосуде не изменяется, хотя жидкость продолжает испаряться. Точно так же не изменяется и масса насыщенного пара над этой жидкостью, хотя пар продолжает конденсироваться.

Давление насыщенного пара. При сжатии насыщенного пара, температура которого поддерживается постоянной, равновесие сначала начнет нарушаться: плотность пара возрастет, и вследствие этого из газа в жидкость будет переходить больше молекул, чем из жидкости в газ; продолжаться это будет до тех пор, пока концентрация пара в новом объеме не станет прежней, соответствующей концентрации насыщенного пара при данной температуре (и равновесие восстановится). Объясняется это тем, что число молекул, покидающих жидкость за единицу времени, зависит только от температуры.

Итак, концентрация молекул насыщенного пара при постоянной температуре не зависит от его объема.

Поскольку давление газа пропорционально концентрации его молекул, то и давление насыщенного пара не зависит от занимаемого им объема. Давление $р_0$, при котором жидкость находится в равновесии со своим паром, называют давлением насыщенного пара.

При сжатии насыщенного пара большая его часть переходит в жидкое состояние. Жидкость занимает меньший объем, чем пар той же массы. В результате объем пара при неизменной его плотности уменьшается.

Зависимость давления насыщенного пара от температуры. Для идеального газа справедлива линейная зависимость давления от температуры при постоянном объеме. Применительно к насыщенному пару с давлением $р_0$ эта зависимость выражается равенством:

$p_0=nkT$

Так как давление насыщенного пара не зависит от объема, то, следовательно, оно зависит только от температуры.

Экспериментально определенная зависимость $Р_0(Т)$ отличается от зависимости $p_0=nkT$ для идеального газа. С увеличением температуры давление насыщенного пара растет быстрее, чем давление идеального газа (участок кривой $АВ$). Это становится особенно очевидным, если провести изохору через точку $А$ (пунктирная прямая). Происходит это потому, что при нагревании жидкости часть ее превращается в пар, и плотность пара растет.

Поэтому, согласно формуле $p_0=nkT$, давление насыщенного пара растет не только в результате повышения температуры жидкости, но и вследствие увеличения концентрации молекул (плотности) пара. Главное различие в поведении идеального газа и насыщенного пара заключается в изменении массы пара при изменении температуры при неизменном объеме (в закрытом сосуде) или при изменении объема при постоянной температуре. С идеальным газом ничего подобного происходить не может (МКТ идеального газа не предусматривает фазового перехода газа в жидкость).

После испарения всей жидкости поведение пара будет соответствовать поведению идеального газа (участок $ВС$ кривой).

Ненасыщенный пар

Если в пространстве, содержащем пары какой-либо жидкости, может происходить дальнейшее испарение этой жидкости, то пар, находящийся в этом пространстве, является ненасыщенным.

Пар, не находящийся в состоянии равновесия со своей жидкостью, называется ненасыщенным.

Ненасыщенный пар можно простым сжатием превратить в жидкость. Как только это превращение началось, пар, находящийся в равновесии с жидкостью, становится насыщенным.

Влажность воздуха

Влажность воздуха — это содержание в воздухе водяного пара.

Окружающий нас атмосферный воздух вследствие непрерывного испарения воды с поверхности океанов, морей, водоемов, влажной почвы и растений всегда содержит в себе водяные пары. Чем больше водяных паров находится в определенном объеме воздуха, тем ближе пар к состоянию насыщения. С другой стороны, чем выше температура воздуха, тем большее количество водяных паров требуется для его насыщения.

В зависимости от количества водяных паров, находящихся при данной температуре в атмосфере, воздух бывает различной степени влажности.

Количественная оценка влажности

Для того чтобы количественно оценить влажность воздуха, пользуются, в частности, понятиями абсолютной и относительной влажности.

Абсолютная влажность — это количество граммов водяного пара, содержащееся в $1м^3$ воздуха при данных условиях, т. е. это плотность водяного пара $р$, выраженная в г/$м^3$.

Относительная влажность воздуха $φ$ — это отношение абсолютной влажности воздуха $р$ к плотности $р_0$ насыщенного пара при той же температуре.

Относительную влажность выражают в процентах:

$φ=({p}/{p_0})·100%$

Концентрация пара связана с давлением ($p_0=nkT$), поэтому относительную влажность можно определить как процентное отношение парциального давления $р$ пара в воздухе к давлению $р_0$ насыщенного пара при той же температуре:

$φ=({p}/{p_0})·100%$

Под парциальным давлением понимают давление водяного пара, которое он производил бы, если бы все другие газы в атмосферном воздухе отсутствовали.

Если влажный воздух охлаждать, то при некоторой температуре находящийся в нем пар можно довести до насыщения. При дальнейшем охлаждении водяной пар начнет конденсироваться в виде росы.

Точка росы

Точка росы — это температура, до которой должен охладиться воздух, чтобы находящийся в нем водяной пар достиг состояния насыщения при постоянном давлении и данной влажности воздуха. При достижении точки росы в воздухе или на предметах, с которыми он соприкасается, начинается конденсация водяного пара. Точка росы может быть вычислена по значениям температуры и влажности воздуха или определена непосредственно конденсационным гигрометром. При относительной влажности воздуха $φ = 100%$ точка росы совпадает с температурой воздуха. При $φ < 100%$ точка росы всегда ниже температуры воздуха. Так, при температуре воздуха $15°$С и относительной влажности $(%) 100, 80, 60, 40$ точка росы оказывается равной $15.0; 11.6; 7.3; 1.5°$С.

Изменение агрегатных состояний вещества: испарение и конденсация, кипение жидкости

Агрегатные состояния вещества (от лат. aggrego — присоединяю) — это состояния одного и того же вещества в различных интервалах (промежутках) температур и давлений.

Агрегатными состояниями принято считать газообразное, жидкое и твердое.

Самыми простыми примерами существования одного и того же вещества в этих трех агрегатных состояниях, которые наблюдаются в повседневной жизни, являются лед, вода и водяной пар. Невидимый водяной пар всегда присутствует и в окружающем нас воздухе. Вода существует в интервале температур от $0°$С до $100°$С, лед — при температуре ниже $0°$С. При температуре выше $100°$С и нормальном атмосферном давлении молекулы воды существуют только в газообразном состоянии — в виде водяного пара. Вода, лед и водяной пар — это одно и то же вещество с химической формулой $Н_2O$.

Многие вещества в обыденной жизни мы наблюдаем только в одном из агрегатных состояний. Так, кислород в окружающем нас воздухе представляет собой газ. Но при температуре $-193°$С он превращается в жидкость. Охладив эту жидкость до $-219°$С, мы получим твердый кислород. И наоборот, железо в обычных условиях твердое. Однако при температуре $1535°$С железо плавится и превращается в жидкость. Над расплавленным железом будет находиться газ — пар из атомов железа.

Различные агрегатные состояния существуют у каждого вещества. Отличаются эти вещества не молекулами, а тем, как эти молекулы расположены и как движутся. Расположение молекул воды в трех агрегатных состояниях показано на рисунке.

Переход из одного агрегатного состояния в другое. При определенных условиях вещества могут переходить из одного агрегатного состояния в другое. Все возможные при этом превращения отображены на рисунке.

Всего различают шесть процессов, при которых происходят агрегатные превращения вещества.

Переход вещества из твердого (кристаллического) состояния в жидкое называется плавлением, обратный процесс называется кристаллизацией, или отвердеванием. Пример плавления — таяние льда, обратный процесс происходит при замерзании воды.

Переход вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием, обратный процесс называется конденсацией. Пример парообразования — испарение воды, обратный процесс можно наблюдать при выпадении росы.

Переход вещества из твердого состояния сразу в газообразное (минуя жидкое) называется сублимацией, или возгонкой, обратный процесс называется десублимацией. Например, графит можно нагреть до тысячи, двух тысяч и даже трех тысяч градусов и, тем не менее, в жидкость он не превратится: он будет сублимироваться, т. е. из твердого состояния сразу переходить в газообразное. Непосредственно в газообразное состояние (минуя жидкое) переходит и так называемый сухой лед (твердый оксид углерода $СO_2$), который можно увидеть в контейнерах для транспортировки мороженого. Все запахи, которыми обладают твердые тела (например, нафталин), также обусловлены возгонкой: вылетая из твердого тела, молекулы образуют над ним газ (или пар), обладающий запахом.

Примером десублимации является образование на окнах зимой узоров из кристалликов льда. Эти красивые узоры образуются при десублимации водяного пара, находящегося в воздухе.

Переходы вещества из одного агрегатного состояния в другое играют важную роль не только в природе, но и в технике. Так, воду, превращенную в пар, можно использовать в паровых турбинах на электростанциях. Из расплавленных металлов на заводах получают различные сплавы: сталь, чугун, латунь и т. д. Для понимания этих процессов надо знать, что происходит с веществом при изменении его агрегатного состояния и при каких условиях это изменение возможно.

Испарение

Испарение — это переход вещества из жидкого состояния в газообразное (пар), происходящее со свободной поверхности жидкости.

Сублимацию, или возгонку, т. е. переход вещества из твердого состояния в газообразное, также называют испарением.

Из повседневных наблюдений известно, что количество любой жидкости (бензина, эфира, воды), находящейся в открытом сосуде, постепенно уменьшается. Жидкость не исчезает бесследно — она превращается в пар. Испарение — это один из видов парообразования. Другой вид — это кипение.

Механизм испарения. Как происходит испарение? Молекулы любой жидкости находятся в непрерывном и беспорядочном движении, причем чем выше температура жидкости, тем больше кинетическая энергия молекул. Среднее значение кинетической энергии имеет определенную величину. Но у каждой молекулы кинетическая энергия может быть как больше, так и меньше средней. Если вблизи поверхности окажется молекула с кинетической энергией, достаточной для преодоления сил межмолекулярного притяжения, она вылетит из жидкости. То же самое повторится с другой быстрой молекулой, со второй, третьей и т. д. Вылетая наружу, эти молекулы образуют над жидкостью пар. Образование этого пара и есть испарение.

Поглощение энергии при испарении. Поскольку при испарении из жидкости вылетают более быстрые молекулы, средняя кинетическая энергия оставшихся в жидкости молекул становится все меньше и меньше. Это значит, что внутренняя энергия испаряющейся жидкости уменьшается. Поэтому если нет притока энергии к жидкости извне, температура испаряющейся жидкости понижается, жидкость охлаждается (именно поэтому, в частности, человеку в мокрой одежде холоднее, чем в сухой, особенно при ветре).

Однако при испарении воды, налитой в стакан, мы не замечаем понижения ее температуры. Чем это объяснить? Дело в том, что испарение в данном случае происходит медленно, и температура воды поддерживается постоянной за счет теплообмена с окружающим воздухом, из которого в жидкость поступает необходимое количество теплоты. Значит, чтобы испарение жидкости происходило без изменения ее температуры, жидкости необходимо сообщать энергию.

Количество теплоты, которое необходимо сообщить жидкости для образования единицы массы пара при постоянной температуре, называется теплотой парообразования.

Скорость испарения жидкости. В отличие от кипения испарение происходит при любой температуре, однако с повышением температуры жидкости скорость испарения возрастает. Чем выше температура жидкости, тем больше быстро движущихся молекул имеет достаточную кинетическую энергию, чтобы преодолеть силы притяжения соседних частиц и вылететь за пределы жидкости, и тем быстрее идет испарение.

Скорость испарения зависит от рода жидкости. Быстро испаряются летучие жидкости, у которых силы межмолекулярного взаимодействия малы (например, эфир, спирт, бензин). Если капнуть такой жидкостью на руку, мы ощутим холод. Испаряясь с поверхности руки, такая жидкость будет охлаждаться и отбирать у нее некоторое количество теплоты.

Скорость испарения жидкости зависит от площади ее свободной поверхности. Это объясняется тем, что жидкость испаряется с поверхности, и чем больше площадь свободной поверхности жидкости, тем большее количество молекул одновременно вылетает в воздух.

В открытом сосуде масса жидкости вследствие испарения постепенно уменьшается. Это связано с тем, что большинство молекул пара рассеивается в воздухе, не возвращаясь в жидкость (в отличие от того, что происходит в закрытом сосуде). Но небольшая часть их возвращается в жидкость, замедляя тем самым испарение. Поэтому при ветре, который уносит молекулы пара, испарение жидкости происходит быстрее.

Применение в технике. Испарение играет важную роль в энергетике, холодильной технике, в процессах сушки, испарительного охлаждения. Например, в космической технике быстроиспаряющимися веществами покрывают спускаемые аппараты. При прохождении через атмосферу планеты корпус аппарата в результате трения нагревается, и покрывающее его вещество начинает испаряться. Испаряясь, оно охлаждает космический аппарат, спасая его тем самым от перегрева.

Конденсация

Конденсация (от лат. condensatio — уплотнение, сгущение) — переход вещества из газообразного состояния (пара) в жидкое или твердое состояние.

Известно, что при наличии ветра жидкость испаряется быстрее. Почему? Дело в том, что одновременно с испарением с поверхности жидкости идет и конденсация. Конденсация происходит из-за того, что часть молекул пара, беспорядочно перемещаясь над жидкостью, снова возвращается в нее. Ветер же выносит вылетевшие из жидкости молекулы и не дает им возвращаться.

Конденсация может происходить и тогда, когда пар не соприкасается с жидкостью. Именно конденсацией объясняется, например, образование облаков: молекулы водяного пара, поднимающиеся над землей, в более холодных слоях атмосферы группируются в мельчайшие капельки воды, скопления которых и представляют собой облака. Следствием конденсации водяного пара в атмосфере являются также дождь и роса.

При испарении жидкость охлаждается и, став более холодной, чем окружающая среда, начинает поглощать ее энергию. При конденсации же, наоборот, происходит выделение некоторого количества теплоты в окружающую среду, и ее температура несколько повышается. Количество теплоты, выделяющееся при конденсации единицы массы, равно теплоте испарения.

Кипение жидкости

Кипение — это интенсивный переход жидкости в пар, происходящий с образованием пузырьков пара по всему объему жидкости при определенной температуре.

В отличие от испарения, которое происходит при любой температуре жидкости, другой вид парообразования — кипение — возможен лишь при совершенно определенной (при данном давлении) температуре — температуре кипения.

При нагревании воды в открытом стеклянном сосуде можно увидеть, что по мере увеличения температуры стенки и дно сосуда покрываются мелкими пузырьками. Они образуются в результате расширения мельчайших пузырьков воздуха, которые существуют в углублениях и микротрещинах не полностью смачиваемых стенок сосуда.

Пары жидкости, которые находятся внутри пузырьков, являются насыщенными. С ростом температуры давление насыщенных паров возрастает, и пузырьки увеличиваются в размерах. С увеличением объема пузырьков растет и действующая на них выталкивающая (архимедова) сила. Под действием этой силы наиболее крупные пузырьки отрываются от стенок сосуда и поднимаются вверх. Если верхние слои воды еще не успели нагреться до $100°$С, то в такой (более холодной) воде часть водяного пара внутри пузырьков конденсируется и уходит в воду; пузырьки при этом сокращаются в размерах, и сила тяжести заставляет их снова опускаться вниз. Здесь они опять увеличиваются и вновь начинают всплывать вверх. Попеременное увеличение и уменьшение пузырьков внутри воды сопровождается возникновением в ней характерных звуковых волн: закипающая вода шумит.

Когда вся вода прогреется до $100°$С, поднявшиеся вверх пузырьки уже не сокращаются в размерах, а лопаются на поверхности воды, выбрасывая пар наружу. Возникает характерное булькание — вода кипит.

Кипение начинается после того, как давление насыщенного пара внутри пузырьков сравнивается с давлением в окружающей жидкости.

Во время кипения температура жидкости и пара над ней не меняется. Она сохраняется неизменной до тех пор, пока вся жидкость не выкипит. Это происходит потому, что вся подводимая к жидкости энергия уходит на превращение ее в пар.

Температура, при которой кипит жидкость, называется температурой кипения.

Температура кипения зависит от давления, оказываемого на свободную поверхность жидкости. Это объясняется зависимостью давления насыщенного пара от температуры. Пузырек пара растет, пока давление насыщенного пара внутри него немного превосходит давление в жидкости, которое складывается из внешнего давления и гидростатического давления столба жидкости.

Чем больше внешнее давление, тем больше температура кипения.

Всем известно, что вода кипит при температуре $100°$С. Но не следует забывать, что это справедливо лишь при нормальном атмосферном давлении (примерно $101$ кПа). При увеличении давления температура кипения воды возрастает. Так, например, в кастрюлях-скороварках пищу варят под давлением около $200$ кПа. Температура кипения воды при этом достигает $120°$С. В воде такой температуры процесс варки происходит значительно быстрее, чем в обычном кипятке. Этим и объясняется название «скороварка».

И наоборот, уменьшая внешнее давление, мы тем самым понижаем температуру кипения. Например, в горных районах (на высоте $3$ км, где давление составляет $70$ кПа) вода кипит при температуре $90°$С. Поэтому жителям этих районов, использующим такой кипяток, требуется значительно больше времени для приготовления пищи, чем жителям равнин. А сварить в этом кипятке, например, куриное яйцо вообще невозможно, так как при температуре ниже $100°$С белок не сворачивается.

У каждой жидкости своя температура кипения, которая зависит от давления насыщенного пара. Чем выше давление насыщенного пара, тем ниже температура кипения соответствующей жидкости, т. к. при меньших температурах давление насыщенного пара становится равным атмосферному. Например, при температуре кипения $100°$С давление насыщенных паров воды равно $101 325$ Па ($760$ мм рт. ст.), а паров ртути — всего лишь $117$ Па ($0.88$ мм рт. ст.). Кипит ртуть при $357°$С при нормальном давлении.

Изменение агрегатных состояний вещества: плавление и кристаллизация

Переход вещества из твердого кристаллического состояния в жидкое называется плавлением.

Чтобы расплавить твердое кристаллическое тело, его нужно нагреть до определенной температуры, т. е. подвести тепло.

Температура, при которой вещество плавится, называется температурой плавления вещества.

Обратный процесс — переход из жидкого состояния в твердое — происходит при понижении температуры, т. е. тепло отводится.

Переход вещества из жидкого состояния в твердое называется отвердеванием, или кристаллизацией.

Температура, при которой вещество кристаллизуется, называется температурой кристаллизации.

Опыт показывает, что любое вещество кристаллизуется и плавится при одной и той же температуре.

На рисунке представлен график зависимости температуры кристаллического тела (льда) от времени нагревания (от точки $А$ до точки $D$) и времени охлаждения (от точки $D$ до точки $К$). На нем по горизонтальной оси отложено время, а по вертикальной — температура.

Из графика видно, что наблюдение за процессом началось с момента, когда температура льда была $-40°$С, или, как принято говорить, температура в начальный момент времени ($t_{нач} =-40°$С (точка $А$ на графике). При дальнейшем нагревании температура льда растет (на графике это участок $АВ$). Увеличение температуры происходит до $0°$С — температуры плавления льда. При $0°$С лед начинает плавиться, а его температура перестает расти. В течение всего времени плавления (т. е. пока весь лед не расплавится) температура льда не меняется, хотя горелка продолжает гореть и тепло, следовательно, подводится. Процессу плавления соответствует горизонтальный участок графика $ВС$. Только после того как весь лед расплавится и превратится в воду, температура снова начинает подниматься (участок $CD$). После того, как температура воды достигнет $+40°$С, горелку гасят и воду начинают охлаждать, т. е. тепло отводят (для этого можно сосуд с водой поместить в другой, больший сосуд со льдом). Температура воды начинает снижаться (участок $DE$). При достижении температуры $0°$С температура воды перестает снижаться, несмотря на то, что тепло по-прежнему отводится. Это идет процесс кристаллизации воды — образования льда (горизонтальный участок $ЕF$). Пока вся вода не превратится в лед, температура не изменится. Лишь после этого начинает уменьшаться температура льда (участок $FK$).

Вид рассмотренного графика объясняется следующим образом. На участке $АВ$ благодаря подводимому теплу средняя кинетическая энергия молекул льда увеличивается, и температура его повышается. На участке $ВС$ вся энергия, получаемая содержимым колбы, тратится на разрушение кристаллической решетки льда: упорядоченное пространственное расположение его молекул сменяется неупорядоченным, меняется расстояние между молекулами, т. е. происходит перестройка молекул таким образом, что вещество становится жидким. Средняя кинетическая энергия молекул при этом не меняется, поэтому неизменной остается и температура. Дальнейшее увеличение температуры расплавленного льда-воды (на участке $СD$) означает увеличение кинетической энергии молекул воды вследствие подводимого горелкой тепла.

При охлаждении воды (участок $DЕ$) часть энергии у нее отбирается, молекулы воды движутся с меньшими скоростями, их средняя кинетическая энергия падает — температура уменьшается, вода охлаждается. При $0С$ (горизонтальный участок $ЕF$) молекулы начинают выстраиваться в определенном порядке, образуя кристаллическую решетку. Пока этот процесс не завершится, температура вещества не изменится, несмотря на отводимое тепло, а это означает, что при отвердевании жидкость (вода) выделяет энергию. Это как раз та энергия, которую поглотил лед, превращаясь в жидкость (участок $ВС$). Внутренняя энергия у жидкости больше, чем у твердого тела. При плавлении (и кристаллизации) внутренняя энергия тела меняется скачком.

Металлы, плавящиеся при температуре выше $1650°$С, называют тугоплавкими (титан, хром, молибден и др.). Самая высокая температура плавления среди них у вольфрама — около $3400°$С. Тугоплавкие металлы и их соединения используют в качестве жаропрочных материалов в самолетостроении, ракетостроении и космической технике, атомной энергетике.

Подчеркнем еще раз, что при плавлении вещество поглощает энергию. При кристаллизации оно, наоборот, отдает ее в окружающую среду. Получая определенное количество теплоты, выделяющееся при кристаллизации, среда нагревается. Это хорошо известно многим птицам. Недаром их можно заметить зимой в морозную погоду сидящими на льду, который покрывает реки и озера. Из-за выделения энергии при образовании льда воздух над ним оказывается на несколько градусов теплее, чем в лесу на деревьях, и птицы этим пользуются.

Плавление аморфных веществ

Наличие определенной точки плавления — это важный признак кристаллических веществ. Именно по этому признаку их можно легко отличить от аморфных тел, которые также относят к твердым телам. К ним, в частности, относятся стекла, очень вязкие смолы, пластмассы.

Аморфные вещества (в отличие от кристаллических) не имеют определенной температуры плавления — они не плавятся, а размягчаются. При нагревании кусок стекла, например, сначала становится из твердого мягким, его легко можно гнуть или растягивать; при более высокой температуре кусок начинает менять свою форму под действием собственной тяжести. По мере нагревания густая вязкая масса принимает форму того сосуда, в котором лежит. Эта масса сначала густая, как мед, затем — как сметана и наконец становится почти такой же маловязкой жидкостью, как вода. Однако указать определенную температуру перехода твердого тела в жидкое здесь невозможно, поскольку ее нет.

Причины этого лежат в коренном отличии строения аморфных тел от строения кристаллических. Атомы в аморфных телах расположены беспорядочно. Аморфные тела по своему строению напоминают жидкости. Уже в твердом стекле атомы расположены беспорядочно. Значит, повышение температуры стекла лишь увеличивает размах колебаний его молекул, дает им постепенно все большую и большую свободу перемещения. Поэтому стекло размягчается постепенно и не обнаруживает резкого перехода «твердое—жидкое», характерного для перехода от расположения молекул в строгом порядке к беспорядочному.

Преобразование энергии в фазовых переходах

Рассмотренные в предыдущих параграфах изменения агрегатных состояний вещества относятся к фазовым превращениям. По определению Д. У. Гиббса (основателя термодинамики), фазой называется любое вещество, которое может быть удалено из системы соприкасающихся веществ чисто механическим способом. Здесь под системой веществ понимают вещество одного химического состава, части которого отличаются физическими свойствами (например, плотностью).

Так, смесь воды и льда — это две фазы одного и того же вещества с химической формулой $Н_2O$. Аналогично любое твердое тело в процессе плавления распадается на две фазы — твердую и жидкую. Туман (капли жидкости в смеси с воздухом) является двухфазной системой. Вода, лед и водяной пар над ними — пример трехфазной системы. А вот раствор одного вещества в другом представляет собой одну фазу, поскольку составные части такого раствора не могут быть отделены друг от друга механическим способом. Таким образом, вещество в разных агрегатных состояниях представляет собой разные фазы вещества. Часто так и говорят: такое-то вещество в твердой фазе, в жидкой фазе. Однако различными фазами вещества не обязательно являются его агрегатные состояния. Иногда это могут быть различные структуры одного и того же кристаллического соединения, например, графит и алмаз.

Переход вещества из одного фазового состояния в другое называется фазовым переходом (или фазовым превращением). Таким образом, испарение и конденсация, кипение, возгонка и сублимация, плавление и кристаллизация, рассмотренные выше, — все это примеры фазовых переходов.

Если фазовый переход проходит при определенной температуре (температуре фазового перехода) и сопровождается выделением или поглощением тепла, он называется фазовым переходом первого рода. Процессы превращения вещества из твердого в жидкое состояние и обратно (плавление и затвердевание), как и из жидкого в газообразное и обратно (кипение и конденсация) относятся к фазовому переходу первого рода.

Температурой фазового перехода здесь являются температура плавления и температура кипения. При этом происходит скачкообразное изменение плотности вещества.

Что происходит с внутренней энергией в процессе фазового перехода первого рода? Напомним, что внутреннюю энергию тела составляют кинетическая энергия всех его молекул и потенциальная энергия их взаимодействия. Минимальное значение потенциальной энергии взаимодействия частиц, $U_{min}$ представляет собой энергию связи молекул вещества. Эту энергию необходимо передать системе для того, чтобы связь эту разорвать, или как говорят преодолеть потенциальную яму. Относительным вкладом этих двух составляющих внутренней энергии тела и определяется фазовое состояние и фазовые превращения вещества. Когда $Е_k << |U_{min}|$, частицы находятся в связанном состоянии. Для разных фаз характерны следующие соотношения между ними: $Е_k << |U_{min}|$ — твердое тело; $Е_k ~ |U_{min}|$ — жидкость; $Е_k >> |U_{min}|$ — газ.

Как уже было показано, в процессе плавления кинетическая энергия движения молекул не меняется, так как температура системы неизменна, а подводимое тепло идет на разрушение кристаллической решетки твердого тела, т. е. на увеличение потенциальной энергии молекул и разрыва связей между ними, что приводит к превращению твердого тела в жидкость. В жидкостях средняя кинетическая энергия молекул меньше абсолютного значения средней потенциальной энергии (и внутренняя энергия в целом отрицательна, хотя ее абсолютное значение незначительно отличается от нуля).

При затвердевании , кинетическая энергия жидкости в результате контакта с окружающей средой (теплообмен) уменьшается до величины, при которой расстояния между молекулами становятся достаточными для образования устойчивых связей (образования кристаллических зародышей). Потенциальная энергия молекул в узлах образующейся кристаллической решетки уменьшается, а избыток кинетической энергии выделяется в виде тепла при неизменной температуре. Внутренняя энергия вещества в твердой фазе определяется главным образом взаимодействием молекул и зависит от их расположения: $Е_k << |U_{min}|$.

Аналогично, при кипении, подводимое тепло идет на увеличение потенциальной энергии молекул жидкости, т.е. на совершение работы по удалению молекул на расстояния при которых силы притяжения не в состоянии удерживать молекулы вблизи своих соседей и жидкость переходит в газ.

Таким образом, при фазовых переходах первого рода происходят скачкообразные изменения величины и состава внутренней энергии вещества:

• внутренняя энергия вещества в твердой фазе для температуры, при которой могут существовать одновременно и другие фазы, имеет наименьшее значение, а в газообразной фазе — наибольшее;
• в то же время в твердой фазе средняя потенциальная энергия взаимодействия (по абсолютной величине) во много раз больше средней кинетической энергии, в жидкости они сравнимы по величине, но средняя потенциальная энергия (по абсолютной величине) по-прежнему остается больше средней кинетической энергии молекул, а в газе абсолютное значение средней потенциальной энергии взаимодействия молекул во много раз меньше средней кинетической энергии молекул.

Тепловое движение атомов и молекул вещества

В соответствии с молекулярно-кинетической теорией, молекулы и атомы, из которых состоит вещество, совершают безостановочное хаотическое движение.

Хаотическое, или беспорядочное движение молекул называют тепловым движением. При таком движении атомы и молекулы постоянно и беспорядочно меняют скорость и направление своего движения, интенсивность которого зависит от температуры тела.

Если нехаотическое, скажем, механическое движение можно описывать с помощью формул, например, скорость равномерно ускоренной точки можно найти с помощью формулы $υ=υ_0+at$, то при хаотическом движении нельзя предугадать величину скорости и направление движения отдельной молекулы в любой момент времени. Поэтому в молекулярной физике и термодинамике оперируют средней скоростью молекул, которая зависит от температуры тела.

Атомы и молекулы, находясь в постоянном движении, обладают определенной кинетической энергией. Эта энергия связана с так называемой тепловой энергией, запасенной в теле. Кроме того, атомы и молекулы постоянно взаимодействуют между собой, то есть обладают также и потенциальной энергией, которую называют энергией межмолекулярного взаимодействия.

Тепловое движение частиц вещества обуславливает такие явления, как теплопередача, броуновское движение, диффузия, которые послужили обоснованием молекулярно-кинетической теории вещества.

Взаимодействие частиц вещества

Третье положение МКТ о взаимодействии молекул является очевидным. Достаточно вспомнить, сколько усилий требуется, чтобы сломать, скажем, деревянную палку.

Твердые тела и жидкости не распадаются на отдельные молекулы, несмотря на то, что их молекулы разделены промежутками и находятся в непрерывном беспорядочном движении.

Более того, твердое тело, например, трудно растянуть или сжать. Чем же объяснить, что молекулы в телах не только удерживаются друг около друга, но и в некоторых случаях промежутки между ними трудно увеличить?

Дело в том, что молекулы взаимодействуют друг с другом, и природа этого взаимодействия — электрическая. Молекула состоит из заряженных частиц — электронов и ядер. Заряженные частицы одной молекулы при соответствующих расстояниях взаимодействуют (притягиваются или отталкиваются) с заряженными частицами других молекул.

Так, между ядрами атомов одной молекулы и электронами другой существуют силы притяжения, а между электронами соседних молекул, как и между их ядрами — силы отталкивания. Зависимость сил $F_r$ и потенциальной энергии $U$ межмолекулярного взаимодействия от расстояния $r$ изображена на рисунке. Сила взаимодействия складывается из сил притяжения и сил отталкивания. Силы притяжения в физике принято считать отрицательными, силы отталкивания — положительными.

На расстояниях, превышающих $2-3$ диаметра молекул, результирующая сила взаимодействия определяется силами притяжения. Вклад последних по мере уменьшения растояния между молекулами сначала растет, затем убывает. Силы взаимодействия обращаются в нуль, когда расстояние между молекулами становится равным сумме радиусов молекул.

Энергия взаимодействия в этой точке становится минимальной — $U_{min}$. На таком расстоянии система (в данном случае молекула) находится в устойчивом состоянии, поскольку обладает наименьшим значением потенциальной энергии, или, как говорят, находится «в потенциальной яме».

Дальнейшее уменьшение расстояния приводит к перекрыванию электронных оболочек, что вызывает быстрое нарастание сил отталкивания.

Броуновское движение. Диффузия

Диффузия, растворимость и броуновское движение могут быть объяснены только на основе представления о молекулярном строении веществ и являются убедительными обоснованиями первого и второго положений молекулярно-кинетической теории.

Броуновское движение (брауновское движение) — беспорядочное движение малых частиц, взвешенных в жидкости или газе, происходящее под действием ударов молекул окружающей среды.

Впервые такое движение исследовал и описал в 1827 г. английский ботаник Р. Браун при изучении под микроскопом взвешенной в воде цветочной пыльцы. Он обнаружил, что частички пыльцы находятся в непрерывном беспорядочном движении, как бы исполняя дикий фантастический танец. Он писал: «Это движение, как я убежден, обусловлено не потоками жидкости, не постепенным ее испарением, а принадлежит самим частицам».

Наблюдаемые (броуновские) частицы размером $~1$ мкм и менее совершают неупорядоченные независимые движения, описывая сложные зигзагообразные траектории.

Подобный опыт можно проделать, пользуясь краской или тушью, предварительно растертой до таких мельчайших крупинок, которые видны лишь в микроскоп. Можно увидеть, что крупинки краски непрерывно движутся. Самые мелкие из них беспорядочно перемещаются с одного места в другое, более крупные лишь беспорядочно колеблются.

Броуновское движение можно наблюдать и в газе. Например, в воздухе его совершают взвешенные там частицы пыли или дыма.

Броуновское движение никогда не прекращается! В капле воды (если не давать ей высохнуть) движение крупинок можно наблюдать в течение многих дней, месяцев, лет. Оно не прекращается ни летом, ни зимой, ни днем, ни ночью. В кусках кварца, пролежавших в земле тысячи лет, попадаются иногда капельки воды, замурованные в минерале. В этих капельках тоже наблюдали броуновское движение плавающих в воде частиц.

Интенсивность броуновского движения увеличивается с повышением температуры, уменьшением вязкости среды, уменьшением размера частиц. Оно не зависит от химической природы частиц и времени наблюдения.

Броуновское движение служит доказательством существования еще более мелких частиц — молекул жидкости, невидимых даже в самые сильные оптические микроскопы.

Броуновское движение объясняется тем, что благодаря случайной неодинаковости количества ударов молекул жидкости о частицу с разных направлений возникает равнодействующая сила определенного направления. Поскольку подобные флуктуации (флуктуация — случайное отклонение физической величины от ее среднего значения) очень кратковременны, то в следующий миг направление равнодействующей меняется и, следовательно, изменится направление перемещения частицы. Отсюда наблюдающаяся хаотичность броуновского движения, которая отражает хаотичность молекулярного движения.

Открытие броуновского движения имело большое значение для изучения строения вещества. Оно показало, что тела действительно состоят из отдельных частиц — молекул — и что молекулы находятся в непрерывном беспорядочном движении.

Полная теория броуновского движения была разработана Эйнштейном и Смолуховским в 1905— 1906 гг. и экспериментально подтверждена Ж. Перреном. Выводы теории показали, что среднее значение квадрата смещения броуновской частицы за определенный промежуток времени пропорционально этому промежутку времени, температуре и постоянной Больцмана.

Эксперименты Ж. Перрена, в которых он определял положение одной определенной частицы через каждые 30с, подтвердили выводы теории. Перрен проводил также опыты по проверке зависимости концентрации молекул газа от высоты и барометрической формулы — зависимости атмосферного давления от высоты. Он предположил, что броуновские частицы, являясь своего рода большими молекулами, должны подчиняться тем же законам, что и молекулы атмосферы, а, следовательно, их концентрация с высотой должна падать. Его эксперименты полностью подтвердили теорию. Они позволили ему определить постоянную Авогадро, значение которой совпало с уже известным.

Таким образом, броуновское движение является самым ярким подтверждением теплового движения молекул — одного из положений молекулярно-кинетической теории.

Диффузия

Явление, при котором происходит взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого, называется диффузией.

Явление это объясняется свойством молекул находиться в беспрерывном движении.

Подтверждением движения молекул газа является всем известное распространение запаха какого- либо пахучего вещества, внесенного в комнату.

В жидкостях наблюдать взаимное проникновение одного вещества в другое можно, если в крепкий раствор медного купороса осторожно добавить воду. Вначале резкая граница между темноголубым медным купоросом и бесцветной водой со временем исчезает. Механизм проникновения молекул следующий. Сначала вследствие движения отдельные молекулы воды и медного купороса, находящиеся около границы между ними, обмениваются местами. Молекулы медного купороса попадают в нижний слой воды, а молекулы воды — в верхний слой медного купороса. Граница между жидкостями из-за этого расплывается. Проникнув в слой «чужой» жидкости, молекулы начинают обмениваться местами с ее частицами, находящимся во все более глубоких слоях. Граница между жидкостями становится все более расплывчатой. Благодаря беспрерывному и беспорядочному движению молекул этот процесс, в конце концов, приводит к тому, что вся жидкость становится однородной.

В твердых телах также наблюдается диффузия. Так, в одном из опытов гладко отшлифованные пластины свинца и золота положили друг на друга и сжали грузом. Через пять лет золото и свинец проникли друг в друга на $1$ мм.

Скорость диффузии зависит от агрегатного состояния вещества и температуры тела. В газах, где расстояние между молекулами очень велико по сравнению с их размерами и движение молекул хаотично, скорость диффузии наибольшая. В жидкостях она меньше, так как и расстояние между молекулами меньше, и движение молекул чуть более упорядочено. В твердых телах, где наблюдается строгий порядок в расположении атомов (или молекул), а сами они совершают лишь небольшие колебательные движения около своих мест, скорость диффузии наименьшая.

Скорость протекания диффузии увеличивается с ростом температуры.

Модель идеального газа в МКТ

Идеальный газ — это теоретическая модель газа, в которой пренебрегают размерами и взаимодействиями частиц газа и учитывают лишь их упругие столкновения.

Другими словами, предполагается, что внутренняя энергия идеального газа определяется лишь кинетической энергией его частиц (т. е. потенциальной энергией взаимодействия молекул пренебрегают).

Модель идеального газа была предложена в 1847 г. Дж. Герапатом. На основе этой модели были теоретически выведены газовые законы (закон Бойля—Мариотта, закон Гей-Люссака, закон Шарля, закон Авогадро), которые ранее были установлены экспериментально. Модель идеального газа была положена в основу молекулярно-кинетической теории газа.

Основными законами идеального газа являются уравнение состояния и закон Авогадро, в которых впервые были связаны макрохарактеристики газа (давление, температура, масса) с массой молекулы (уравнение Менделеева-Клапейрона, или уравнение состояния идеального газа).

В современной физике ее используют также для описания ансамблей любых слабовзаимодействующих частиц. Модель идеального газа справедлива для реальных классических газов при достаточно высоких температурах и разрежениях, когда среднее расстояние между молекулами много больше размеров самих молекул. В этом случае силами притяжения можно пренебречь. Силы же отталкивания проявляются лишь при столкновении друг с другом в течение ничтожно малых интервалов времени.

В простейшей модели газа молекулы рассматриваются как очень маленькие твердые шарики, обладающие массой. Движение отдельных молекул подчиняется законам механики Ньютона. Конечно, не все процессы в разреженных газах можно объяснить с помощью такой модели, однако давление газа вычислить с ее помощью можно.

Основное уравнение МКТ (давление газа)

Основное уравнение молекулярно-кинетической теории устанавливает связь между давлением идеального газа и средней кинетической энергией его молекул.

Вывод основного уравнения МКТ основывается на допущениях модели идеального газа и утверждении: давление газа является результатом ударов молекул о стенку сосуда.

Определим давление газа на стенку площадью $S$ сосуда $ABCD$.

Каждая молекула массой $m_0$, отскакивая от стенки после упругого соударения со стенкой, передает ей импульс $2m_{0}υ_x$, где $υ_x$ — проекция скорости молекулы $υ↖{→}$ на ось $О_х$, перпендикулярную стенке. Всего за одну секунду суммарный импульс, получаемый стенкой от всех молекул, равен $2m_{0}υ_{x}Z$, где $Z$ — число таких столкновений (за $1$ с) всех молекул. Очевидно, что $Z=n={N}/{V}$, где $n$ — концентрация молекул в единице объема; $N$ — число всех молекул. Число $Z$ пропорционально также скорости молекул $υ_x$ и площади стенки $S:Z∼nυ_{x}S$. Поскольку все направления при хаотичном движении молекул газа равновероятны, то из всех молекул, имеющих составляющую скорости $υ_x$, только половина движется в сторону стенки $CD$ вторая половина — в сторону $АВ$ (т. е. в обратную). Поэтому $Z={1}/{2}nυ_{x}S$, а полный импульс, переданный стенке за $1$ с, равен $2m_{0}nυ_x^{2}S$. Поскольку изменение импульса точки (тела) за единицу времени равно действующей на него силе $F={∆(mυ)}/{∆t}$, то $F=m_{0}nυ_x^{2}S$. В действительности, поскольку речь идет о большом количестве молекул, движущихся с разными скоростями, силу следует усреднить: $F↖{-}={m_{0}nυ_x^{2}S}↖{-}$.

Сила эта зависит, таким образом, от среднего квадрата скорости ${υ_x^{2}}↖{-}$.

Поскольку вследствие хаотичности движения все направления равноправны, то

${υ_x^{2}}↖{-}={υ_y^{2}}↖{-}={υ_z^{2}}↖{-}$

С другой стороны, известно, что квадрат модуля любого вектора равен сумме квадратов его проекций на оси координат, поэтому:

$υ^2=υ_x^{2}+υ_y^{2}+υ_z^{2}$

Усредняя это выражение по всем молекулам и учитывая $υ^2=υ_x^{2}+υ_y^{2}+υ_z^{2}$, получим:

${υ^2}↖{-}={υ_x^{2}}↖{-}+{υ_y^{2}}↖{-}+{υ_z^{2}}↖{-}=3{υ_x^{2}}↖{-}$

Отсюда:

${υ_x^{2}}↖{-}={1}/{3}{υ_^2}↖{-}$

С учетом последней формулы $F↖{-}={1}/{3}m_{0}n{υ^2}↖{-}$

Следовательно, давление на стенку сосуда равно:

$p={F}/{S}={1}/{3}m_{0}n{υ^2}↖{-}$

Это основное уравнение молекулярно-кинетической теории. Это уравнение — первое количественное соотношение, полученное в МКТ.

Уравнение $p={F}/{S}={1}/{3}m_{0}n{υ^2}↖{-}$ позволяет получить связь между давлением и средней кинетической энергией молекул ${E_k}↖{-}={m_{0}{υ^2}↖{-}}/{2}:$

$p={2}/{3}n{E_k}↖{-}$

Давление идеального газа равно двум третям средней кинетической энергии поступательного движения молекул, содержащихся в единице объема.

Важно подчеркнуть, что здесь речь идет о средней кинетической энергии молекул газа. Это означает, что давление газа — величина, органически связанная с тем, что газ состоит из большого числа молекул. Нет смысла говорить о давлении, создаваемом несколькими молекулами. Давление газа — понятие, имеющее статистический характер (так называют понятия, имеющие смысл только для систем с очень большим числом частиц).

Абсолютная температура

Согласно основному уравнению МКТ, давление $р$ прямо пропорционально средней кинетической энергии $E↖{-}$ поступательного движения молекул:

$p={2}/{3}n{E}↖{-}$

где $n$ — объемная концентрация молекул. Заменив в $p={2}/{3}n{E}↖{-}$ $n$ отношением числа молекул $N$ к объему газа $V(n={N}/{V})$, получим:

${pV}/{N}={2}/{3}{E}↖{-}$

В состоянии теплового равновесия при постоянном объеме средняя кинетическая энергия данной массы газа должна иметь вполне определенное значение, как и температура. Согласно формуле ${pV}/{N}={2}/{3}{E}↖{-}$, это означает, что отношение ${pV}/{N}$ для данной температуры должно быть одним и тем же для любых идеальных газов. То, что это действительно так, было подтверждено экспериментально для разных газов, находящихся в условиях теплового равновесия при постоянном объеме (измерялось давление).

Таким образом, величина $Θ={pV}/{N}$, которую, в отличие от микропараметра ${E}↖{-}$, легко измерить, является вполне однозначной характеристикой теплового состояния газа, как и температура. Измеряется $Θ$ (как и энергия) в джоулях. Зависит она только от температуры и может рассматриваться как естественная мера температуры. Однако в силу укоренившейся привычки измерять температуру в градусах был введен коэффициент пропорциональности $k$ между температурой $Θ$, выраженной в энергетических единицах, и температурой $Т$, выраженной в градусах:

$Θ=kT$

или

${pV}/{N}=kT$

Температура $Т$, определяемая равенством $Θ=kT$, называется абсолютной температурой.

Значения температуры, определенной по формуле ${pV}/{N}={2}/{3}{E}↖{-}$, всегда положительны в силу положительности $Θ={pV}/{N}$ (ни давление, ни объем, ни число частиц отрицательными быть не могут). Поэтому минимальным значением температуры является нуль. Температура может равняться нулю, если давление либо объем равны нулю. Из принятого определения температуры следует, что нулем температуры является температура, при которой прекращается хаотическое движение молекул. Она называется абсолютным нулем температуры.

Температура, как и давление, определяется средней кинетической энергией молекул идеального газа. Поэтому температура, как и давление, является статистической величиной (статистической называется величина, имеющая смысл только для систем, содержащих очень большое число частиц). Нельзя говорить о температуре одной или нескольких молекул.

Абсолютную шкалу температур ввел английский ученый У. Кельвин в 1850 г. Нулевая температура по абсолютной шкале (ее называют также шкалой Кельвина) соответствует абсолютному нулю, а каждая единица температуры по этой шкале равна градусу по шкале Цельсия.

Единица абсолютной температуры является одной из семи основных единиц СИ и измеряется в кельвинах (обозначается буквой $К$).

Связь между температурами, измеренными по шкалам Цельсия $t$ и Кельвина $Т$, описывается формулой:

$T(K)=t(°C)+273.15K$

Абсолютный нуль равен $-273.15°$С. Как правило, при расчетах пользуются округленным значением абсолютного нуля ($-273°$С).

Коэффициент пропорциональности к в формуле $Θ=kT$ называется постоянной Больцмана в честь Л. Больцмана — одного из основателей молекулярно-кинетической теории газа. Этот коэффициент составляет $k=1.38^{-23}$ Дж/К.

Постоянная Больцмана связывает температуру $Θ$ в энергетических единицах с температурой $Т$ в кельвинах. Это одна из наиболее важных постоянных в молекулярно-кинетической теории.

Температура как мера кинетической энергии

Из основного уравнения молекулярно-кинетической теории, записанного в форме $p={2}/{3}{E}↖{-}$

${pv}/{N}={2}/{3}{E}↖{-}$

и определения абсолютной температуры согласно ${pV}/{N}=kt$

${pv}/{N}=kT$

получим:

$E↖{-}={3}/{2}kT$

Средняя кинетическая энергия хаотического поступательного движения молекул газа пропорциональна абсолютной температуре.

Из полученного результата однозначно следует, что абсолютная температура есть мера средней кинетической энергии движения молекул.

Соотношение между температурой и кинетической энергией справедливо не только для разреженных газов (идеальных газов), но также для любых тел, подчиняющихся законам механики Ньютона. Оно справедливо и для жидкостей, и для твердых тел, атомы которых колеблются около положения равновесия.

Уравнение $р = nkТ$

Из формулы $p={2}/{3}n{E_k}↖{-}$ может быть получена зависимость давления газа от абсолютной температуры $Т$ и концентрации его молекул, если воспользоваться выражением для средней кинетической энергии:

$p=nkT$

где $k$ — постоянная Больцмана.

Из формулы $p=nkT$ очевидно, что при одинаковых давлениях и температурах концентрация молекул у всех газов одинакова.

Отсюда следует известный закон Авогадро: в равных объемах газов при одинаковых температурах и давлениях содержится одинаковое число молекул.

Средняя скорость теплового движения молекул может быть также выражена через абсолютную температуру, если в формуле $E↖{-}={3}/{2}kT$ заменить $E↖{-}$ на ${m_{0}{υ^2}↖{-}}/{2}$:

${m_{0}{υ^2}↖{-}}/{2}={3}/{2}kT→{υ^2}↖{-}=3{kT}/{m_0}$

Квадратный корень из этой величины называется средней квадратичной скоростью:

$υ↖{-}=√{{3kT}/{m_0}}$

Уравнение Менделеева-Клапейрона (уравнение состояния идеального газа)

Уравнение состояния идеального газа — это зависимость между параметрами идеального газа — давлением $р$, объемом $V$ и абсолютной температурой $Т$, определяющими его состояние:

$pV=BT$

где $В$ зависит от массы газа $m$ и его молекулярной массы $М$. В таком виде уравнения впервые получено в 1834 г. французским ученым Б. П. Э. Клапейроном и называется уравнением Клапейрона.

В 1874 г. Д. И. Менделеев вывел уравнение состояния для одного моля идеального газа: $pV=RT$, где $R$ — универсальная газовая постоянная. Если молярная масса газа $М$, то

$pV={m}/{M}RT$

Уравнение состояния в форме $pV={m}/{M}RT$ называется уравнением Клапейрона-Менделеева. Оно объединяет газовые законы Гей-Люссака, Бойля—Мариотта, Авогадро, Шарля.

Уравнение состояния $pV={m}/{M}RT$ может быть получено из зависимости давления от температуры $p=nkT$, если в нее подставить концентрацию молекул $n$ из выражения

$n={N}/{V}={1}/{V}·{m}/{M}N_A$

где $N_А$ — постоянная Авогадро, $N$ — число молекул в теле.

В результате получим:

$pV={m}/{M}kN_{A}T$

где $kN_A=R$ — универсальная газовая постоянная, равная $8.31$ Дж/моль$·$К; $k$ — постоянная Больцмана, равная $1.38·10^{-23}$ Дж/К. Заменив в $pV={m}/{M}kN_{A}T$ $kN_A$ на $R$, получаем уравнение состояния в виде $pV={m}/{M}RT$. Отношение уравнений $pV={m}/{M}RT$ или $pV=BT$ при двух наборах параметров $p_1,V_1,T_1$ и $p_2,V_2,T_2$ дает:

${p_1V_1}/{T_1}={p_2V_2}/{T_2}=const$

Внутренняя энергия идеального одноатомного газа

Поскольку молекулы идеального газа не взаимодействуют друг с другом, их потенциальная энергия считается равной нулю. Внутренняя энергия идеального газа определяется только кинетической энергией беспорядочного поступательного движения его молекул. Для ее вычисления нужно умножить среднюю кинетическую энергию одного атома $E↖{-}={3}/{2}kT$ на число атомов $N={m}/{M}N_A$.

Учитывая, что $kN_A=R$, получим значение внутренней энергии идеального газа:

$U={3}/{2}·{m}/{M}RT$

Внутренняя энергия идеального одноатомного газа прямо пропорциональна его температуре.

Если воспользоваться уравнением Клапейрона-Менделеева, то выражение для внутренней энергии идеального газа можно представить в виде:

$U={3}/{2}pV$

Следует отметить, что, согласно выражению для средней кинетической энергии одного атома $(E↖{-}={3}/{2}kT)$ и в силу хаотичности движения, на каждое из трех возможных направлении движения или каждую степень свободы по оси $X,Y$ и $Z$ приходится одинаковая энергия ${kT}/{2}$.

Число степеней свободы — это число возможных независимых направлений движения молекулы.

Газ, каждая молекула которого состоит из двух атомов, называется двухатомным. Каждый атом может двигаться по трем направлениям, поэтому общее число возможных направлений движения — $6$. За счет связи между молекулами число степеней свободы уменьшается на одну, поэтому число степеней свободы для двухатомной молекулы равно пяти.

Средняя кинетическая энергия двухатомной молекулы равна ${5}/{2}kT$. Соответственно внутренняя энергия идеального двухатомного газа равна:

$U={5}/{2}·{m}/{M}RT={5}/{2}pV$

Формулы для внутренней энергии идеального газа можно обобщить:

$U={i}/{2}·{m}/{M}RT={i}/{2}pV$

где $i$ — число степеней свободы молекул газа ($i = 3$ для одноатомного и $i=5$ для двухатомного газа).

Для идеальных газов внутренняя энергия зависит только от одного макроскопического параметра — температуры и не зависит от объема, т. к. потенциальная энергия равна нулю (объем определяет среднее расстояние между молекулами).

Для реальных газов потенциальная энергия не равна нулю. Поэтому внутренняя энергия в термодинамике в общем случае однозначно определяется параметрами, характеризующими состояние этих тел: объемом ($V$) и температурой ($Т$).

Закон Дальтона

Закон Дальтона для смеси идеальных газов гласит: давление смеси газов равно сумме парциальных давлений ее компонент.

Парциальным давлением какого-либо газа — компонента газовой смеси называется давление, которое оказывал бы этот газ, если бы он один занимал весь объем, занимаемый смесью.

Для доказательства закона Дальтона перепишем уравнение $p=nkT$ в виде:

$pV=NkT$

Рассмотрим сосуд объемом $V$, в котором имеется смесь нереагирующих химически газов, находящихся в состоянии теплового равновесия. Уравнение состояния для такой смеси имеет вид:

$pV=(N_{1}+N_{2}+N_{3}+…)kT$

где $N_{1},N_{2},N_{3}…$ — числа компонент смеси.

Очевидно, что

$N_{1},N_{2},N_{3}+…=N$

где $N$ — общее число молекул в сосуде.

Давление смеси газа получим, поделив обе части $pV=(N_{1}+N_{2}+N_{3}+…)kT$ на объем $V$:

$p={N_1}/{V}kT+{N_2}/{V}kT+{N_3}/{V}kT+…$

Слагаемые этой суммы представляют собой давления каждой из компонент смеси, занимающей объем $V$, т. е. являются парциальными давлениями компонент смеси $р_1 р_2, р_3, …$ что и утверждает закон Дальтона:

$p=р_1+р_2+р_3+…$

То, что каждая группа молекул оказывает давление, не зависящее от давления, оказываемого другими группами, обусловлено отсутствием взаимодействия между молекулами. Последнее реально выполняется только для газов при невысоких давлениях, которые приближаются к идеальному газу.

Термодинамика

Термодинамика — наука о наиболее общих тепловых свойствах макроскопических тел.

В термодинамике не вводятся упрощенные модели изучаемых явлений, поэтому выводы термодинамики имеют универсальный характер.

В частности, в термодинамике не учитывается молекулярное строение тел.

Термодинамика возникла при изучении оптимальных условий использования теплоты для совершения работы.

Основные понятия термодинамики:

• макроскопическая система — система, состоящая из большого числа частиц, причем чем большее число частиц входит в термодинамическую систему, тем точнее описание свойств системы;
• замкнутая система — это система, изолированная от любых внешних воздействий;
• телом в термодинамике называют макроскопическую систему, заключенную в определенный объем;
• равновесное состояние — это состояние, в которое приходит термодинамическая система при неизменных внешних условиях. В равновесном состоянии в системе отсутствуют потоки энергии, импульса, массы и т. д.;
• параметры состояния (термодинамические параметры) — это физические величины, характеризующие равновесное состояние термодинамической системы. К ним относятся в первую очередь температура, объем и давление. В равновесном состоянии параметры состояния не зависят от времени;
• связь между параметрами равновесных термодинамических систем определяется уравнением состояния;
• процессом в термодинамике называется изменение состояния тела со временем. Важными характеристиками процесса являются поглощенное телом количество теплоты $Q$, совершенная над ним работа $А$.

Главное содержание термодинамики состоит в двух ее началах (законах) — первом и втором; первое распространяет закон сохранения энергии на тепловые явления, второе же указывает направление возможных энергетических превращений в природе.

Как уже было сказано, термодинамика не учитывает молекулярное строение вещества при изучении тепловых свойств макроскопических тел и в этом смысле является макроскопической теорией.

Тепловое равновесие и температура

Температура— физическая величина, характеризующая тепловое состояние тел.

В окружающем нас мире происходят различные явления, связанные с нагреванием и охлаждением тел. Их называют тепловыми явлениями. Так, при нагревании холодная вода сначала становится теплой, а затем горячей; вынутая из пламени металлическая деталь постепенно охлаждается и т. д. Степень нагретости тела, или его тепловое состояние, мы обозначаем словами «теплый», «холодный», «горячий». Для количественной оценки этого состояния и служит температура.

Температура — один из макроскопических параметров системы. В физике тела, состоящие из очень большого числа атомов или молекул, называют макроскопическими. Размеры макроскопических тел во много раз превышают размеры атомов. Все окружающие тела — от стола или газа в воздушном шарике до песчинки — макроскопические тела.

Величины, характеризующие состояние макроскопических тел без учета их молекулярного строения, называют макроскопическими параметрами. К ним относятся объем, давление, температура, концентрация частиц, масса, плотность, намагниченность и т. д. Температура — один из важнейших макроскопических параметров системы (газа в частности).

Температура — характеристика теплового равновесия системы.

Известно, что для определения температуры среды следует поместить в эту среду термометр и подождать до тех пор, пока температура термометра не перестанет изменяться, приняв значение, равное температуре окружающей среды. Другими словами, необходимо некоторое время для установления между средой и термометром теплового равновесия.

Тепловым, или термодинамическим, равновесием называют такое состояние, при котором все макроскопические параметры сколь угодно долго остаются неизменными. Это означает, что не меняются объем и давление в системе, не происходят фазовые превращения, не меняется температура.

Однако микроскопические процессы при тепловом равновесии не прекращаются: скорости молекул меняются, они перемещаются, сталкиваются.

Любое макроскопическое тело или группа макроскопических тел — термодинамическая система — может находиться в различных состояниях теплового равновесия. В каждом из этих состояний температура имеет свое вполне определенное значение. Другие величины могут иметь разные (но постоянные) значения. Например, давление сжатого газа в баллоне будет отличаться от давления в помещении и при температурном равновесии всей системы тел в этом помещении.

Температура характеризует состояние теплового равновесия макроскопической системы: во всех частях системы, находящихся в состоянии теплового равновесия, температура имеет одно и то же значение (это единственный макроскопический параметр, обладающий таким свойством).

Если два тела имеют одинаковую температуру, между ними не происходит теплообмен, если разную — теплообмен происходит, причем тепло передается от более нагретого тела к менее нагретому до полного выравнивания температур.

Измерение температуры основано на зависимости какой-либо физической величины (например, объема) от температуры. Эта зависимость и используется в температурной шкале термометра — прибора, служащего для измерения температуры.

Действие термометра основано на тепловом расширении вещества. При нагревании столбик используемого в термометре вещества (например, ртути или спирта) увеличивается, при охлаждении — уменьшается. Использующиеся в быту термометры позволяют выразить температуру вещества в градусах Цельсия ($°С$).

А. Цельсий (1701—1744) — шведский ученый, предложивший использовать стоградусную шкалу температур. В температурной шкале Цельсия за нуль (с середины XVIII в.) принимается температура тающего льда, а за $100$ градусов — температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении.

Поскольку различные жидкости расширяются с повышением температуры по-разному, то температурные шкалы в термометрах с разными жидкостями различны.

Поэтому в физике используют идеальную газовую шкалу температур, основанную на зависимости объема (при постоянном давлении) или давления (при постоянном объеме) газа от температуры.

Внутренняя энергия

Внутреннюю энергию тела составляют кинетическая энергия всех его молекул и потенциальная энергия их взаимодействия.

Внутренняя энергия входит в баланс энергетических превращений в природе. После открытия внутренней энергии был сформулирован закон сохранения и превращения энергии. Рассмотрим взаимное превращение механической и внутренней энергий. Пусть на свинцовой плите лежит свинцовый шар. Поднимем его вверх и отпустим. Когда мы подняли шар, то сообщили ему потенциальную энергию. При падении шара она уменьшается, т. к. шар опускается все ниже и ниже. Но с увеличением скорости постепенно увеличивается кинетическая энергия шара. Происходит превращение потенциальной энергии шара в кинетическую. Но вот шар ударился о свинцовую плиту и остановился. И кинетическая, и потенциальная энергии его относительно плиты стали равными нулю. Рассматривая шар и плиту после удара, мы увидим, что их состояние изменилось: шар немного сплющился, и на плите образовалась небольшая вмятина; измерив же их температуру, мы обнаружим, что они нагрелись.

Нагрев означает увеличение средней кинетической энергии молекул тела. При деформации изменяется взаимное расположение частиц тела, поэтому изменяется и их потенциальная энергия. Таким образом, можно утверждать, что в результате удара шара о плиту происходит превращение механической энергии, которой обладал в начале опыта шар, во внутреннюю энергию тела.

Нетрудно наблюдать и обратный переход внутренней энергии в механическую.

Например, если взять толстостенный стеклянный сосуд и накачать в него воздух через отверстие в пробке, то спустя какое-то время пробка из сосуда вылетит. В этот момент в сосуде образуется туман. Появление тумана означает, что воздух в сосуде стал холоднее и, следовательно, его внутренняя энергия уменьшилась. Объясняется это тем, что находившийся в сосуде сжатый воздух, выталкивая пробку (т. е. расширяясь), совершил работу за счет уменьшения своей внутренней энергии. Кинетическая энергия пробки увеличилась за счет внутренней энергии сжатого воздуха.

Таким образом, одним из способов изменения внутренней энергии тела является работа, совершаемая молекулами тела (или другими телами) над данным телом. Способом изменения внутренней энергии без совершения работы является теплопередача.

Теплообмен

Теплообмен — это самопроизвольный (т. е. совершаемый без принуждения) процесс передачи теплоты, происходящий между телами с разной температурой.

Можно сказать, что теплообмен — один из способов изменения внутренней энергии тела. Различают три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекцию и лучистый теплообмен.

К одному из способов теплообмена относится также и теплопередача. Теплопередача — это теплообмен между двумя теплоносителями через разделяющую их твердую стенку или через поверхность раздела между ними. Теплопередача включает в себя теплоотдачу от более горячей жидкости или газа к стенке, теплопроводность в стенке, теплоотдачу от стенки к более холодной жидкой или газообразной среде.

Теплопроводность

Теплопроводность — это один из видов переноса тепла, при котором происходит непосредственная передача энергии от частиц (молекул, атомов) более нагретой части тела к частицам его менее нагретой части.

Рассмотрим ряд опытов с нагревом твердого тела, жидкости и газа.

Закрепим в штативе толстую медную проволоку, а к проволоке прикрепим воском или пластилином несколько гвоздиков. При нагревании свободного конца проволоки в пламени спиртовки воск плавится, и гвоздики постепенно отпадают от проволоки. Причем сначала отпадают те, что находятся ближе к пламени, затем по очереди все остальные. Объясняется это следующим образом. Сначала увеличивается скорость движения тех частиц металла, которые находятся ближе к пламени. Температура проволоки в этом месте повышается. При взаимодействии этих частиц с соседними скорость последних также увеличивается, в результате чего повышается температура следующей части проволоки. Затем увеличивается скорость движения следующих частиц и т. д., пока не прогреется вся проволока.

Следует помнить, что при теплопроводности само вещество не перемещается вдоль тела, переносится лишь энергия.

Рассмотрим теперь теплопроводность жидкостей. Возьмем пробирку с водой. Положим в нее кусочек льда и станем нагревать верхнюю часть пробирки. Вода у поверхности скоро закипит. Лед же на дне пробирки за это время почти не растает. Значит, у жидкостей теплопроводность невелика, за исключением ртути и жидких металлов.

Это объясняется тем, что в жидкостях молекулы расположены на больших расстояниях друг от друга, чем в твердых телах.

Исследуем теплопроводность газов. Сухую пробирку наденем на палец и нагреем в пламени спиртовки донышко. Палец при этом долго не чувствует тепла.

Это связано с тем, что расстояние между молекулами газа еще больше, чем у жидкостей и твердых тел. Следовательно, теплопроводность газов еще меньше.

Итак, теплопроводность различных веществ различна.

Наибольшей теплопроводностью обладают металлы, особенно серебро и медь. Если теплопроводность различных веществ сравнивать с теплопроводностью меди, то окажется, что у железа она меньше примерно в $5$ раз, у воды — в $658$ раз, у пористого кирпича — в $848$ раз, у свежевыпавшего снега — почти в $4000$ раз, у ваты, древесных опилок и овечьей шерсти — почти в $10 000$ раз, а у воздуха она меньше примерно в $20 000$ раз. Плохой теплопроводностью обладают также волосы, перья, бумага, пробка и другие пористые тела. Это связано с тем, что между волокнами этих веществ содержится воздух. Самой низкой теплопроводностью обладает вакуум (освобожденное от воздуха пространство). Объясняется это тем, что теплопроводность — это перенос энергии от одной части тела к другой, который происходит при взаимодействии молекул или других частиц. В пространстве, где нет частиц, теплопроводность осуществляться не может.

Если возникает необходимость предохранить тело от охлаждения или нагревания, то применяют вещества с малой теплопроводностью. Так, ручки для кастрюль, сковородок изготавливают из пластмассы. Дома строят из бревен или кирпича, обладающих плохой теплопроводностью, а значит, предохраняют помещения от охлаждения. На применении вакуума в качестве теплоизоляционного «материала» основано устройство термоса, или сосуда Дьюара, который был изобретен в 1892 г. английским ученым Джеймсом Дьюаром.

Конвекция. Конвективный теплообмен

Конвекция (от лат. convectio — доставка) — это перенос массы в результате перемещения газа или жидкости.

Существуют различные виды конвекции. Мы рассмотрим свободную и вынужденную конвекции.

Свободная конвекция в газе или жидкости возникает тогда, когда имеются небольшие области, в которых плотность отличается от плотности основной окружающей их массы вещества. Тогда в условиях земного тяготения под действием силы Архимеда эти области начинают перемещаться. Примером свободной конвекции является всем известное движение воздуха в помещении, в котором топится печь, имеется радиатор или другой источник тепла.

Поясним сказанное на примерах.

Поместив руку над горячей плитой или горящей электрической лампочкой, можно почувствовать, что над ними поднимаются теплые струи воздуха. Небольшая бумажная вертушка, поставленная над пламенем свечи или электрической лампочкой, под действием поднимающегося нагретого воздуха начинает вращаться.

Это явление можно объяснить таким образом. Часть воздуха, которая соприкасается с теплой лампой, нагревается, расширяется и становится менее плотной, чем окружающий ее более холодный воздух. Под действием архимедовой (выталкивающей) силы эта более теплая часть воздуха начинает подниматься вверх. Ее место заполняет холодный воздух. Через некоторое время, прогревшись, этот слой воздуха также поднимается вверх, уступая место следующей порции воздуха, и т. д. Это и есть конвекция. В результате перемещения более теплых слоев воздуха происходит перенос тепла (т. е. энергии), или конвективный теплообмен.

Точно так же переносится энергия и при нагревании жидкости. Нагретые слои жидкости, менее плотные и поэтому более легкие, вытесняются вверх более тяжелыми, холодными слоями. Холодные слои жидкости, опустившись вниз, в свою очередь, нагреваются от источника тепла и вновь вытесняются менее нагретой жидкостью. Благодаря такому движению жидкость равномерно прогревается. Это становится наглядным, если на дно колбы с водой бросить несколько кристалликов марганцовокислого калия, который окрашивает воду в фиолетовый цвет.

Вынужденная конвекция вызывается внешним механическим воздействием на среду. Примерами ее являются обычное перемешивание жидкости ложечкой, движение воздуха в комнате под действием вентилятора, течение жидкости в трубе под действием гидронасоса и т. д. Физические процессы, происходящие при вынужденной конвекции, связанной с движением тел с большими скоростями в атмосфере, моделируются в аэродинамических трубах, где воспроизводится обтекание неподвижных моделей потоком воздуха.

Таким образом, конвективный теплообмен может осуществляться в газообразной и жидкой среде при условии, что имеется разность температур между частями этой среды. Для осуществления эффективного конвективного теплообмена в земных условиях в жидкостях и газах их следует прогревать снизу. Если их прогревать сверху, конвекция не происходит, ведь теплые слои и так находятся сверху и опуститься ниже холодных, более тяжелых, они не могут.

В отсутствие силы тяжести (в ракете, спутнике, межпланетном корабле) конвекция наблюдаться не будет. Следовательно, пользоваться там, например, спичками и газовыми горелками нельзя: продукты сгорания затушат пламя.

Конвекция в твердых телах происходить не может, поскольку частицы в них колеблются около определенной точки, удерживаемые сильным взаимным притяжением. В связи с этим при нагревании твердых тел потоки вещества в них образовываться не могут. Энергия в твердых телах передается теплопроводностью.

Лучистый теплообмен

Лучистый теплообмен — это теплообмен, при котором энергия переносится различными лучами.

Это могут быть солнечные лучи, а также лучи, испускаемые нагретыми телами, находящимися вокруг нас.

Так, например, сидя около костра, мы чувствуем, как тепло передается от огня нашему телу. Однако причиной такой теплопередачи не может быть ни теплопроводность (которая у воздуха, находящегося между пламенем и телом, очень мала), ни конвекция (так как конвекционные потоки всегда направлены вверх). Здесь имеет место третий вид теплообмена — лучистый теплообмен.

Возьмем небольшую, закопченную с одной стороны, колбу. Через пробку в нее вставим изогнутую под прямым углом стеклянную трубку. В эту трубку, имеющую узкий канал, введем подкрашенную жидкость. Укрепив на трубке шкалу, получим прибор — термоскоп. Этот прибор позволяет обнаружить даже незначительное нагревание воздуха в закопченной колбе.

Если к темной поверхности термоскопа поднести кусок металла, нагретый до высокой температуры, то столбик жидкости переместится вправо. Очевидно, воздух в колбе нагрелся и расширился.

Быстрое нагревание воздуха в термоскопе можно объяснить лишь передачей ему энергии от нагретого тела. Как и в случае с костром, энергия здесь передалась не теплопроводностью и не конвективным теплообменом. Энергия в данном случае передалась с помощью невидимых лучей, испускаемых нагретым телом. Эти лучи называют тепловым излучением.

Лучистый теплообмен может происходить в полном вакууме. Этим он отличается от других видов теплообмена.

Излучают энергию все тела: и сильно нагретые, и слабо, например, тело человека, печь, электрическая лампочка. Но чем выше температура тела, тем сильнее его тепловое излучение. Излученная энергия, достигнув других тел, частично поглощается ими, а частично отражается. При поглощении энергия теплового излучения превращается во внутреннюю энергию тел, и они нагреваются.

Светлые и темные поверхности поглощают энергию по-разному. Так, если в опыте с термоскопом повернуть колбу к нагретому телу сначала закопченной, а затем светлой стороной, то столбик жидкости в первом случае переместится на большее расстояние, чем во втором. Из этого следует, что тела с темной поверхностью лучше поглощают энергию (и, следовательно, сильнее нагреваются), чем тела со светлой или зеркальной поверхностью.

Тела с темной поверхностью не только лучше поглощают, но и лучше излучают энергию.

Способность по-разному поглощать энергию излучения находит широкое применение в технике. Например, воздушные шары и крылья самолетов часто красят серебристой краской, чтобы они меньше нагревались солнечными лучами.

Если же нужно использовать солнечную энергию (например, для нагревания некоторых приборов, установленных на искусственных спутниках), то эти устройства окрашивают в темный цвет.

Количество теплоты. Удельная теплоемкость вещества

Количеством теплоты называют количественную меру изменения внутренней энергии тела при теплообмене.

Количество теплоты — это энергия, которую тело отдает при теплообмене (без совершения работы). Количество теплоты, как и энергия, измеряется в джоулях (Дж).

Удельная теплоемкость вещества

Теплоемкость — это количество теплоты, поглощаемой телом при нагревании на $1$ градус.

Теплоемкость тела обозначается заглавной латинской буквой С.

От чего зависит теплоемкость тела? Прежде всего, от его массы. Ясно, что для нагрева, например, $1$ килограмма воды потребуется больше тепла, чем для нагрева $200$ граммов.

А от рода вещества? Проделаем опыт. Возьмем два одинаковых сосуда и, налив в один из них воду массой $400$ г, а в другой — растительное масло массой $400$ г, начнем их нагревать с помощью одинаковых горелок. Наблюдая за показаниями термометров, мы увидим, что масло нагревается быстрее. Чтобы нагреть воду и масло до одной и той же температуры, воду следует нагревать дольше. Но чем дольше мы нагреваем воду, тем большее количество теплоты она получает от горелки.

Таким образом, для нагревания одной и той же массы разных веществ до одинаковой температуры требуется разное количество теплоты. Количество теплоты, необходимое для нагревания тела и, следовательно, его теплоемкость зависят от рода вещества, из которого состоит это тело.

Так, например, чтобы увеличить на $1°$С температуру воды массой $1$ кг, требуется количество теплоты, равное $4200$ Дж, а для нагревания на $1°$С такой же массы подсолнечного масла необходимо количество теплоты, равное $1700$ Дж.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты требуется для нагревания $1$ кг вещества на $1°$С, называется удельной теплоемкостью этого вещества.

У каждого вещества своя удельная теплоемкость, которая обозначается латинской буквой $с$ и измеряется в джоулях на килограмм-градус (Дж/(кг$·°$С)).

Удельная теплоемкость одного и того же вещества в разных агрегатных состояниях (твердом, жидком и газообразном) различна. Например, удельная теплоемкость воды равна $4200$ Дж/(кг$·°$С), а удельная теплоемкость льда $2100$ Дж/(кг$·°$С); алюминий в твердом состоянии имеет удельную теплоемкость, равную $920$ Дж/(кг$·°$С), а в жидком — $1080$ Дж/(кг$·°$С).

Заметим, что вода имеет очень большую удельную теплоемкость. Поэтому вода в морях и океанах, нагреваясь летом, поглощает из воздуха большое количество тепла. Благодаря этому в тех местах, которые расположены вблизи больших водоемов, лето не бывает таким жарким, как в местах, удаленных от воды.

Расчет количества теплоты, необходимого для нагревания тела или выделяемого им при охлаждении

Из вышеизложенного ясно, что количество теплоты, необходимое для нагревания тела, зависит от рода вещества, из которого состоит тело (т. е. его удельной теплоемкости), и от массы тела. Ясно также, что количество теплоты зависит от того, на сколько градусов мы собираемся увеличить температуру тела.

Итак, чтобы определить количество теплоты, необходимое для нагревания тела или выделяемое им при охлаждении, нужно удельную теплоемкость тела умножить на его массу и на разность между его конечной и начальной температурами:

$Q=cm(t_2-t_1)$

где $Q$ — количество теплоты, $c$ — удельная теплоемкость, $m$ — масса тела, $t_1$ — начальная температура, $t_2$ — конечная температура.

При нагревании тела $t_2 > t_1$ и, следовательно, $Q > 0$. При охлаждении тела $t_2 < t_1$ и, следовательно, $Q < 0$.

В случае, если известна теплоемкость всего тела $С, Q$ определяется по формуле

$Q=C(t_2-t_1)$

Удельная теплота парообразования, плавления, сгорания

Теплота парообразования (теплота испарения) — количество теплоты, которое необходимо сообщить веществу (при постоянном давлении и постоянной температуре) для полного превращения жидкого вещества в пар.

Теплота парообразования равна количеству теплоты, выделяющемуся при конденсации пара в жидкость.

Превращение жидкости в пар при постоянной температуре не ведет к увеличению кинетической энергии молекул, но сопровождается увеличением их потенциальной энергии, т. к. расстояние между молекулами существенно увеличивается.

Удельная теплота парообразования и конденсации. Опытами установлено, что для полного обращения в пар $1$ кг воды (при температуре кипения) необходимо затратить $2.3$ МДж энергии. Для обращения в пар других жидкостей требуется иное количество теплоты. Например, для спирта оно составляет $0.9$ МДж.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо, чтобы обратить жидкость массой $1$ кг в пар без изменения температуры, называется удельной теплотой парообразования.

Удельную теплоту парообразования обозначают буквой $r$ и измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг).

Количество теплоты, необходимое для парообразования (или выделяющееся при конденсации). Чтобы вычислить количество теплоты $Q$, необходимое для превращения в пар жидкости любой массы, взятой при температуре кипения, нужно удельную теплоту парообразования $r$ умножить на массу $m$:

$Q=rm$

При конденсации пара происходит выделение такого же количества теплоты:

$Q=-rm$

Удельная теплота плавления

Теплота плавления — это количество теплоты, которое необходимо сообщить веществу при постоянном давлении и постоянной температуре, равной температуре плавления, чтобы полностью перевести его из твердого кристаллического состояния в жидкое.

Теплота плавления равна тому количеству теплоты, которое выделяется при кристаллизации вещества из жидкого состояния.

При плавлении вся подводимая к веществу теплота идет на увеличение потенциальной энергии его молекул. Кинетическая энергия не меняется, поскольку плавление идет при постоянной температуре.

Изучая на опыте плавление различных веществ одной и той же массы, можно заметить, что для превращения их в жидкость требуется разное количество теплоты. Например, для того чтобы расплавить один килограмм льда, нужно затратить $332$ Дж энергии, а для того чтобы расплавить $1$ кг свинца — $25$ кДж.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо сообщить кристаллическому телу массой $1$ кг, чтобы при температуре плавления полностью перевести его в жидкое состояние, называется удельной теплотой плавления.

Удельную теплоту плавления измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг) и обозначают греческой буквой $λ$ (лямбда).

Удельная теплота кристаллизации равна удельной теплоте плавления, поскольку при кристаллизации выделяется такое же количество теплоты, какое поглощается при плавлении. Так, например, при замерзании воды массой $1$ кг выделяются те же $332$ Дж энергии, которые нужны для превращения такой же массы льда в воду.

Чтобы найти количество теплоты, необходимое для плавления кристаллического тела произвольной массы, или теплоту плавления, надо удельную теплоту плавления этого тела умножить на его массу:

$Q=λm$

Количество теплоты, выделяемое телом, считается отрицательным. Поэтому при расчете количества теплоты, выделяющегося при кристаллизации вещества массой $m$, следует пользоваться той же формулой, но со знаком «минус»:

$-Q=λm$

Удельная теплота сгорания

Теплота сгорания (или теплотворная способность, калорийность) — это количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании топлива.

Для нагревания тел часто используют энергию, выделяющуюся при сгорании топлива. Обычное топливо (уголь, нефть, бензин) содержит углерод. При горении атомы углерода соединяются с атомами кислорода, содержащегося в воздухе, в результате чего образуются молекулы углекислого газа. Кинетическая энергия этих молекул оказывается большей, чем у исходных частиц. Увеличение кинетической энергии молекул в процессе горения называют выделением энергии. Энергия, выделяющаяся при полном сгорании топлива, и есть теплота сгорания этого топлива.

Теплота сгорания топлива зависит от вида топлива и его массы. Чем больше масса топлива, тем больше количество теплоты, выделяющейся при его полном сгорании.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой $1$ кг, называется удельной теплотой сгорания топлива.

Удельную теплоту сгорания обозначают буквой $q$ и измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг).

Количество теплоты $Q$, выделяющееся при сгорании $m$ кг топлива, определяют по формуле:

$Q=qm$

Чтобы найти количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании топлива произвольной массы, нужно удельную теплоту сгорания этого топлива умножить на его массу.

Работа в термодинамике

В термодинамике, в отличие от механики, рассматривается не движение тела как целого, а лишь относительное изменение частей термодинамической системы, в результате которого меняется ее объем.

Рассмотрим работу газа при изобарическом расширении.

Вычислим работу, совершаемую газом при его действии на поршень с силой ${F’}↖{→}$, равной по величине и противоположной по направлению силе ${F’}↖{→}$, действующей на газ со стороны поршня: ${F’}↖{→}=-{F’}↖{→}$ (согласно третьему закону Ньютона), $F’=pS$, где $p$ — давление газа, а $S$ — площадь поверхности поршня. Если перемещение поршня $∆h$ в результате расширения мало, то давление газа можно считать постоянным и работа газа равна:

$A’=F’∆h=pS∆h=p∆V$

Если газ расширяется, он совершает положительную работу, та к как перемещение поршня совпадает по направлению с силой ${F’}↖{→}$. Если газ сжимается, то работа газа отрицательна, поскольку перемещение поршня противоположно силе ${F’}↖{→}$. В формуле $A’=F’∆h=pS∆h=p∆V$ появится знак «минус»: $∆V < 0$, поскольку $∆h < 0$.

Работа внешних сил $А$, наоборот, положительна при сжатии газа и отрицательна при расширении:

$A=-A’=-p∆V$

Совершая над газом положительную работу, внешние тела передают ему часть своей энергии. При расширении газа внешние тела отбирают у газа часть его энергии — работа внешних сил отрицательна.

На графике зависимости давления от объема $р(V)$ работа определяется как площадь, ограниченная кривой $р(V)$, осью $V$ и отрезками $ab$ и $cd$, равными давлениям $р_1$ в начальном ($V_1$) и $р_2$ в конечном ($V_2$) состояниях, как для изобарного, так и для изотермического процессов.

Первый закон термодинамики

Первое начало (первый закон) термодинамики — это закон сохранения и превращения энергии для термодинамической системы.

Согласно первому началу термодинамики, работа может совершаться только за счет теплоты или какой-либо другой формы энергии. Следовательно, работу и количество теплоты измеряют в одних единицах — джоулях (как и энергию).

Первое начало термодинамики было сформулировано немецким ученым Ю. Л. Майером в 1842 г. и подтверждено экспериментально английским ученым Дж. Джоулем в 1843 г.

Первый закон термодинамики формулируется так:

Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе:

$∆U=A+Q$

где $∆U$ — изменение внутренней энергии, $А$ — работа внешних сил, $Q$ — количество теплоты, переданной системе.

Из $∆U=A+Q$ следует закон сохранения внутренней энергии. Если систему изолировать от внешних воздействий, $A=0$ и $Q=0$,а следовательно, $∆U=0$.

При любых процессах, происходящих в изолированной системе, ее внутренняя энергия остается постоянной.

Если работу совершает система, а не внешние силы, то уравнение ($∆U=A+Q$) записывается в виде:

$Q=∆U+A’$

где $А’$ — работа, совершаемая системой ($А’=-А$).

Количество теплоты, переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами.

Первое начало термодинамики может быть сформулировано как невозможность существования вечного двигателя первого рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника, т. е. только за счет внутренней энергии.

Действительно, если к телу не поступает теплота ($Q=0$), то работа $А’$, согласно уравнению $Q=∆U+A’$, совершается только за счет убыли внутренней энергии $A’=-∆U$. После того, как запас энергии окажется исчерпанным, двигатель перестает работать.

Следует помнить, что как работа, так и количество теплоты являются характеристиками процесса изменения внутренней энергии, поэтому нельзя говорить, что в системе содержится определенное количество теплоты или работы. Система в любом состоянии обладает лишь определенной внутренней энергией.

Применение первого закона термодинамики к различным процессам

Рассмотрим применение первого закона термодинамики к различным термодинамическим процессам.

Изохорный процесс. Зависимость $р(Т)$ на термодинамической диаграмме изображается изохорой.

Изохорный (изохорический) процесс — термодинмический процесс, происходящий в системе при постоянном объеме.

Изохорный процесс можно осуществить в газах и жидкостях, заключенных в сосуд с постоянным объемом.

При изохорном процессе объем газа не меняется ($∆V=0$), и, согласно первому началу термодинамики $Q=∆U+A’$,

$∆U=Q$

т. е. изменение внутренней энергии равно количеству переданного тепла, т. к. работа ($A=p∆V=0$) газом не совершается.

Если газ нагревается, то $Q > 0$ и $∆U > 0$, его внутренняя энергия увеличивается. При охлаждении газа $Q < 0$ и $∆U < 0$, внутренняя энергия уменьшается.

Изотермический процесс графически изображается изотермой.

Изотермический процесс — это термодинамический процесс, происходящий в системе при постоянной температуре.

Поскольку при изотермическом процессе внутренняя энергия газа не меняется ($T=const$), то все переданное газу количество теплоты идет на совершение работы:

$Q=A’$

При получении газом теплоты ($Q > 0$) он совершает положительную работу ($А’ > 0$). Если газ отдает тепло окружающей среде, $Q < 0$ и $А’ < 0$. В этом случае над газом совершается работа внешними силами. Для внешних сил работа положительна. Геометрически работа при изотермическом процессе определяется площадью под кривой $р(V)$.

Изобарный процесс на термодинамической диаграмме изображается изобарой.

Изобарный (изобарический) процесс — термодинамический процесс, происходящий в системе с постоянным давлением $p$.

Примером изобарного процесса является расширение газа в цилиндре со свободно ходящим нагруженным поршнем.

При изобарном процессе согласно формуле $Q=∆U+A’$ передаваемое газу количество теплоты идет на изменение его внутренней энергии $∆U$ и на совершение им работы $A’$ при постоянном давлении:

$Q=∆U+A’$

Работа идеального газа определяется по графику зависимости $p(V)$ для изобарного процесса ($A’=p∆V$).

Для идеального газа при изобарном процессе объем пропорционален температуре, в реальных газах часть теплоты расходуется на изменение средней энергии взаимодействия частиц.

Адиабатический процесс

Адиабатический процесс (адиабатный процесс) — это термодинамический процесс, происходящий в системе без теплообмена с окружающей средой ($Q=0$).

Адиабатическая изоляция системы приближенно достигается в сосудах Дьюара, в так называемых адиабатных оболочках. На адиабатически изолированную систему не оказывает влияния изменение температуры окружающих тел. Ее внутренняя энергия и может меняться только за счет работы, совершаемой внешними телами над системой, или самой системой.

Согласно первому началу термодинамики ($∆U=A+Q$), в адиабатной системе

$∆U=A$

где $А$ — работа внешних сил.

При адиабатном расширении газа $А < 0$.

Следовательно,

$∆U={i}/{2}·{m}/{M}R∆T < 0,$

что означает уменьшение температуры при адиабатном расширении. Оно приводит к тому, что давление газа уменьшается более резко, чем при изотермическом процессе.

На рисунке адиабата $1—2$, проходящая между двумя изотермами, наглядно иллюстрирует сказанное. Площадь под адиабатой численно равна работе, совершаемой газом при его адиабатическом расширении от объема $V_1$ до $V_2$.

Адиабатное сжатие приводит к повышению температуры газа, т. к. в результате упругих соударений молекул газа с поршнем их средняя кинетическая энергия возрастает, в отличие от расширения, когда она уменьшается (в первом случае скорости молекул газа увеличиваются, во втором — уменьшаются).

Резкое нагревание воздуха при адиабатическом сжатии используется в двигателях Дизеля.

Второй закон термодинамики. Необратимость

Необратимый процесс

Необратимым называется физический процесс, который может самопроизвольно протекать только в одном определенном направлении.

В обратном направлении такие процессы могут протекать только как одно из звеньев более сложного процесса.

Необратимыми являются практически все процессы, происходящие в природе. Это связано с тем, что в любом реальном процессе часть энергии рассеивается за счет излучения, трения и т. д. Например, тепло, как известно, всегда переходит от более горячего тела к более холодному — это наиболее типичный пример необратимого процесса (хотя обратный переход не противоречит закону сохранения энергии).

Также висящий на легкой нити шарик (маятник) никогда самопроизвольно не увеличит амплитуду своих колебаний, наоборот, приведенный однажды в движение посторонней силой он обязательно в конце концов остановится в результате сопротивления воздуха и трения нити о подвес. Таким образом, сообщенная маятнику механическая энергия переходит во внутреннюю энергию хаотического движения молекул (воздуха, материала подвеса).

Математически необратимость механических процессов выражается в том, что уравнение движения макроскопических тел изменяется с изменением знака времени: они не инвариантны при замене $t$ на $-t$. При этом ускорение и силы, зависящие от расстояний, не изменяют свои знаки. Знак при замене $t$ на $-t$ меняется у скорости $(υ={∆s}/{∆t})$.Соответственно знак меняет сила, зависящая от скорости, — сила трения. Именно поэтому при совершении работы силами трения кинетическая энергия тела необратимо переходит во внутреннюю.

На направленность процессов в природе указывает второй закон термодинамики.

Второй закон термодинамики

Второй закон термодинамики — один из основных законов термодинамики, устанавливающий необратимость реальных термодинамических процессов.

Второй закон термодинамики был сформулирован как закон природы Н. Л. С. Карно в 1824 г., затем У. Томсоном (Кельвином) в 1841 г. и Р. Клаузиусом в 1850 г. Формулировки закона различны, но эквивалентны.

Немецкий ученый Р. Клаузиус формулировал закон так: невозможно перевести теплоту от более холодной системы к более горячей при отсутствии других одновременных изменений в обеих системах или окружающих телах. Это означает, что теплота не может самопроизвольно переходить от более холодного тела к более горячему (принцип Клаузиуса).

Согласно формулировке Томсона процесс, при котором работа переходит в тепло без каких-либо иных изменений состояния системы, необратим, т. е. невозможно преобразовать в работу все тепло, взятое от тела, не производя никаких других изменений состояния системы (принцип Томсона).

Принцип действия тепловых двигателей

Тепловой двигатель — это устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.

Согласно второму началу термодинамики, тепловой двигатель может непрерывно совершать периодически повторяющуюся механическую работу за счет охлаждения окружающих тел, если он не только получает теплоту от более горячего тела (нагревателя), но при этом отдает теплоту менее нагретому телу (холодильнику). Следовательно, на совершение работы идет не все количество теплоты, полученное от нагревателя, а только часть ее.

Таким образом, основными элементами любого теплового двигателя являются:

1. рабочее тело (газ или пар), совершающее работу;
2. нагреватель, сообщающий энергию рабочему телу;
3. холодильник, поглощающий часть энергии от рабочего тела.

Коэффициент полезного действия теплового двигателя

Согласно закону сохранения энергии, работа, совершаемая двигателем, равна:

$A’=|Q_1|-|Q_2|$

где $Q_1$ — количество теплоты, полученное от нагревателя, $Q_2$ — количество теплоты, отданное холодильнику.

Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя называется отношение работы $А’$, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

$η={A’}/{|Q_1|}={|Q_1|-|Q_2|}/{|Q_1|}=1-{|Q_2|}/{|Q_1|}$

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику, то $η < 1$.

КПД теплового двигателя пропорционален разности температур нагревателя и холодильника. При $T_1 — T_2=0$ двигатель не может работать.

Цикл Карно

Цикл Карно — это круговой обратимый процесс, состоящий из двух изотермических и двух адиабатических процессов.

Впервые этот процесс был рассмотрен французским инженером и ученым Н. Л. С. Карно в 1824 г. в книге «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу».

Целью исследований Карно было выяснение причин несовершенства тепловых машин того времени (они имели КПД $< 5%$)и поиски путей их усовершенствования.

Выбор двух изотермических и двух адиабатических процессов был обусловлен тем, что работа газа при изотермическом расширении совершается за счет внутренней энергии нагревателя, а при адиабатном процессе — за счет внутренней энергии расширяющегося газа. В этом цикле исключен контакт тел с разной температурой, следовательно, исключена теплопередача без совершения работы.

Цикл Карно — самый эффективный из всех возможных. Его КПД максимален.

На рисунке изображены термодинамические процессы цикла. В процессе изотермического расширения ($1-2$) при температуре $Т_1$ работа совершается за счет изменения внутренней энергии нагревателя, т. е. за счет подведения к газу количества теплоты $Q_1$:

$A_{12}=Q_1.$ Охлаждение газа перед сжатием ($3-4$) происходит при адиабатном расширении ($2-3$). Изменение внутренней энергии $∆U_{23}$ при адиабатном процессе ($Q=0$) полностью преобразуется в механическую работу:

$A_{23}=-∆U_{23}$

Температура газа в результате адиабатического расширения ($2-3$) понижается до температуры холодильника $Т_2 < Т_1$. В процессе ($3-4$) газ изотермически сжимается, передавая холодильнику количество теплоты $Q_2$:

$A_{34}=Q_2,$

Цикл завершается процессом адиабатического сжатия ($4—1$), при котором газ нагревается до температуры $Т_1$.

Максимальное значение КПД тепловых двигателей, работающих на идеальном газе, по циклу Карно:

$η={T_1-T_2}/{T_1}=1-{T_2}/{T_1}$

Суть формулы $η={T_1-T_2}/{T_1}=1-{T_2}/{T_1}$ выражена в доказанной С. Карно теореме о том, что КПД любого теплового двигателя не может превышать КПД цикла Карно, осуществляемого при той же температуре нагревателя и холодильника.

Уравнение теплового баланса

В замкнутой (изолированной от внешних тел) термодинамической системе изменение внутренней энергии какого-либо тела системы $∆U_i$ не может приводить к изменению внутренней энергии всей системы. Следовательно,

$∆U_1+∆U_2+∆U_3+…+∆U_n=∑↙{i}↖{n}∆U_i=0$

Если внутри системы не совершается работа никакими телами, то, согласно первому закону термодинамики, изменение внутренней энергии любого тела происходит только за счет обмена теплом с другими телами этой системы: $∆U_i=Q_i$. Учитывая ($∆U_1+∆U_2+∆U_3+…+∆U_n=∑↙{i}↖{n}∆U_i=0$), получим:

$Q_1+Q_2+Q_3+…+Q_n=∑↙{i}↖{n}Q_i=0$

Это уравнение называется уравнением теплового баланса. Здесь $Q_i$ — количество теплоты, полученное или отданное $i$-м телом. Любое из количеств теплоты $Q_i$ может означать теплоту, выделяемую или поглощаемую при плавлении какого-либо тела, сгорании топлива, испарении или конденсации пара, если такие процессы происходят с различными телами системы, и будут определятся соответствующими соотношениями.

Уравнение теплового баланса является математическим выражением закона сохранения энергии при теплообмене.

Пройти тестирование по этим заданиям
Вернуться к каталогу заданий

Версия для печати и копирования в MS Word

Пройти тестирование по этим заданиям

 

Издавна человек стремился познать и
понять окружающий его физический мир.
Оказывается, все бесконечное разнообразие
физических процессов, происходящих в нашем мире,
можно объяснить существованием в природе очень
малого количества фундаментальных
взаимодействий. Взаимодействием их друг с другом
объясняется упорядоченность расположения
небесных тел во Вселенной. Именно они являются
теми «стихиями», которые движут небесными
телами, порождают свет и делают возможной саму
жизнь (см. Приложение).
Таким образом, все процессы и явления в природе,
будь то падение яблока, взрыв сверхновой звезды,
прыжок пингвина или радиоактивный распад
веществ, происходят в результате этих
взаимодействий.
Структура вещества этих тел стабильна благодаря
связям между составляющими его частицами.

1. ВИДЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ

Несмотря на то, что в веществе содержится
большое количество элементарных частиц,
существует лишь четыре вида фундаментальных
взаимодействий между ними: гравитационное,
слабое, электромагнитное и сильное.
Самым всеобъемлющим является гравитационное
взаимодействие. Ему подвержены все
материальные взаимодействия без исключения – и
микрочастицы, и макротела. Это значит, что в нем
участвуют все элементарные частицы. Проявляется
оно в виде всемирного тяготения. Гравитация
(от лат. Gravitas – тяжесть) управляет
наиболее глобальными процессами во Вселенной, в
частности, обеспечивает строение и стабильность
нашей Солнечной системы. Согласно современным
представлениям, каждое из взаимодействий
возникает в результате обмена частицами,
называемыми переносчиками этого взаимодействия.
Гравитационное взаимодействие осуществляется
посредством обмена гравитонами.
Электромагнитное взаимодействие,
как и гравитационное, по своей природе
дальнодействующее: соответствующие силы могут
проявляться на очень значительных расстояниях.
Электромагнитное взаимодействие описывается
зарядами одного типа (электрическими), но эти
заряды уже могут иметь два знака – положительный
и отрицательный. В отличие от тяготения,
электромагнитные силы способны быть как силами
притяжения, так и силами отталкивания.
Физические и химические свойства разнообразных
веществ, материалов и самой живой ткани
обусловлены именно этим взаимодействием. Оно же
приводит в действие всю электрическую и
электронную аппаратуру, т.е. связывает между
собой только заряженные частицы. Теория
электромагнитного взаимодействия в макромире
называется классической электродинамикой.
Слабое взаимодействиеменее
известно за пределами узкого круга физиков и
астрономов, но это нисколько не умаляет его
значения. Достаточно сказать, что если бы его не
было, погасли бы Солнце и другие звезды, ибо в
реакциях, обеспечивающих их свечение, слабое
взаимодействие играет очень важную роль. Слабое
взаимодействие относится к короткодействующим:
его радиус примерно в 1000 раз меньше, чем у ядерных
сил.
Сильное взаимодействие – самое
мощное из всех остальных. Оно определяет связи
только между адронами. Ядерные силы, действующие
между нуклонами в атомном ядре, – проявление
этого вида взаимодействия. Оно примерно в 100 раз
сильнее электромагнитного. В отличие от
последнего (а также гравитационного) оно,
во-первых, короткодействующее на расстоянии,
большем 10–15м (порядка размера ядра),
соответствующие силы между протонами и
нейтронами, резко уменьшаясь, перестают их
связывать друг с другом. Во-вторых, его удается
удовлетворительно описать только посредством
трех зарядов (цветов), образующих сложные
комбинации.
В таблице 1 условно представлены важнейшие
элементарные частицы, принадлежащие к основным
группам (адроны, лептоны, переносчики
взаимодействия).

Таблица 1

Участие основных элементарных
частиц во взаимодействиях

Важнейшей характеристикой фундаментального
взаимодействия является его радиус действия.  Радиус
действия – это максимальное расстояние между
частицами, за пределами которого их
взаимодействием можно пренебречь (Табл.2).
При малом радиусе взаимодействие называют короткодействующим,
при большом – дальнодействующим.

Таблица 2

Основные характеристики
фундаментальных взаимодействий

Сильное и слабое взаимодействия
являются короткодействующими. Их
интенсивность быстро убывает при увеличении
расстояния между частицами. Такие
взаимодействия проявляются на небольшом
расстоянии, недоступном для восприятия органами
чувств. По этой причине эти взаимодействия были
открыты позже других (лишь в XX веке) с помощью
сложных экспериментальных установок. Электромагнитное
и гравитационное взаимодействия являются
дальнодействующими. Такие
взаимодействия медленно убывают при увеличении
расстояния между частицами и не имеют конечного
радиуса действия.

2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ, КАК СВЯЗЬ
СТРУКТУР ВЕЩЕСТВА

В атомном ядре связь протонов и нейтронов
обуславливает сильное взаимодействие.
Оно обеспечивает исключительную прочность ядра,
лежащую в основе стабильности вещества в земных
условиях.

Слабое взаимодействие в миллион
раз менее интенсивно, чем сильное. Оно действует
между большинством элементарных частиц,
находящихся друг от друга на расстоянии, меньшем
10–17 м. Слабым взаимодействием определяется
радиоактивный распад урана, реакции
термоядерного синтеза на Солнце. Как известно,
именно излучение Солнца является основным
источником жизни на Земле.

Электромагнитное взаимодействие,
являясь дальнодействующим, определяет структуру
вещества за пределами радиуса действия сильного
взаимодействия. Электромагнитное
взаимодействие связывает электроны и ядра в
атомах и молекулах. Оно объединяет атомы и
молекулы в различные вещества, определяет
химические и биологические процессы. Это
взаимодействие характеризуется силами
упругости, трения, вязкости, магнитными силами. В
частности, электромагнитное отталкивание
молекул, находящихся на малых расстояниях,
вызывает силу реакции опоры, в результате чего
мы, например, не проваливаемся сквозь пол.
Электромагнитное взаимодействие не оказывает
существенного влияния на взаимное движение
макроскопических тел большой массы, так как
каждое тело электронейтрально, т.е. оно содержит
примерно одинаковое число положительных и
отрицательных зарядов.

Гравитационное взаимодействие
прямо пропорционально массе взаимодействующих
тел. Из-за малости массы элементарных частиц
гравитационное взаимодействие между частицами
невелико по сравнению с другими видами
взаимодействия, поэтому в процессах микромира
это взаимодействие несущественно. При
увеличении массы взаимодействующих тел (т.е. при
увеличении числа содержащихся в них частиц)
гравитационное взаимодействие между телами
возрастает прямо пропорционально их массе. В
связи с этим в макромире при рассмотрении
движения планет, звезд, галактик, а также
движения небольших макроскопических тел в их
полях гравитационное взаимодействие становится
определяющим. Оно удерживает атмосферу, моря и
все живое и неживое на Земле, Землю, вращающуюся
по орбите вокруг Солнца, Солнце в пределах
Галактики. Гравитационное взаимодействие играет
главную роль в процессах образования и эволюции
звезд.  Фундаментальные взаимодействия
элементарных частиц изображаются с помощью
специальных диаграмм, на которых реальной
частице соответствует прямая линия, а ее
взаимодействие с другой частицей изображается
либо пунктиром, либо кривой (рис. 1).

Диаграммы взаимодействий
элементарных частиц

Современные физические представления о
фундаментальных взаимодействиях постоянно
уточняются. В 1967 г. Шелдон Глэшоу, Абдус
Салам и Стивен Вайнберг создали теорию,
согласно которой электромагнитное и слабое
взаимодействия представляют собой проявление
единого электрослабого взаимодействия. Если
расстояние от элементарной частицы меньше
радиуса действия слабых сил (10–17 м), то различие
между электромагнитным и слабым
взаимодействиями исчезает. Таким образом, число
фундаментальных взаимодействий сократилось до
трех.

Теория «Великого объединения».
Некоторые физики, в частности, Г.Джорджи и
Ш.Глэшоу, предположили, что при переходе к более
высоким энергиям должно произойти еще одно
слияние – объединение электрослабого
взаимодействия с сильным. Соответствующие
теоретические схемы получили название Теории
«Великого объединения». И эта теория в настоящее
время проходит экспериментальную проверку.
Согласно этой теории, объединяющей сильное,
слабое и электромагнитное взаимодействия,
существует лишь два типа взаимодействий:
объединенное и гравитационное. Не исключено, что
все четыре взаимодействия являются лишь
частными проявлениям единого взаимодействия.
Предпосылки таких предположений
рассматриваются при обсуждении теории
возникновения Вселенной (теория Большого
Взрыва). Теория «Большого Взрыва» объясняет, как
комбинация вещества и энергии породила звезды и
галактики.