FIZYKA. dr inż. Janusz Tomaszewski.

Transkrypt

1 FIZYKA dr inż. Janusz Tomaszewski Centrum Nauczania Matematyki i Fizyki PŁ Budynek C3 ( Akwarium ) pokój nr 504 tel jtomasz@p.lodz.pl

2 WYKŁAD Cele, metody i narzędzia fizyki. Cztery podstawowe oddziaływania w przyrodzie. Struktura i mikrostruktura materii. Siły wiążące atomy w ciałach stałych, cieczach i gazach. Drgania i fale. Elementy termodynamiki fenomenologicznej i statystycznej. Model gazu doskonałego. Równanie Van der Waalsa. I,II i III zasada termodynamiki. Przemiany gazowe. Procesy odwracalne i nieodwracalne. Entropia. Mechanizmy transportu. Przemiany fazowe. Pole grawitacyjne, elektrostatyczne i magnetyczne? podobieństwa i różnice w opisie matematycznym. Natężenie i potencjał pola. Praca i energia w polu. Prawa całkowe Gaussa i Ampera. Pojemność elektryczna. Prąd elektryczny. Zjawisko indukcji elektromagnetycznej. Elektryczne i magnetyczne właściwości materii. Prawa Maxwella. Fale i zjawiska falowe. Fale elektromagnetyczne. Elementy mechaniki kwantowej. Kwantowa natura materii i promieniowania. Promieniowanie ciała doskonale czarnego. Efekt fotoelektryczny. Efekt Comptona. Hipoteza de Broglie"a. Elementy mechaniki kwantowej. Zasada działania lasera. Budowa atomu. Poziomy energetyczne, model pasmowy ciał stałych. Elektronika i optoelektronika. Budowa jądra atomowego. Promieniotwórczość naturalna i sztuczna. Własności i zastosowanie promieniowania jądrowego. Energetyka jądrowa.

3 ĆWICZENIA LABORATORYJNE Wykonując różnorodne eksperymenty z zakresu fizyki klasycznej i współczesnej student zapoznaje się z zasadami zbierania i opracowywania danych doświadczalnych, oraz uczy się przygotowywać czytelne raporty z takiej działalności. Student ma też możliwość zaznajomienia się z różnymi rodzajami przyrządów pomiarowych oraz technikami komputerowej akwizycji i analizy danych.

4 Literatura podstawowa 1.Halliday D., Resnick R., Walker J. : Podstawy fizyki PWN, Warszawa, "Laboratorium z fizyki Centrum Nauczania Matematyki i Fizyki" (red. Sylwester Kania), Wyd PŁ, Łódź 2009 r. Literatura uzupełniająca 1. Jaworski B. i inni : Kurs Fizyki, tom 1,2,3 PWN, Warszawa, Massalski, M. Massalska: Fizyka dla inżynierów tom 1 PWN Warszawa Kania S.: "Wykład z fizyki" cz. 1 PŁ, Łódź 2010 i cz. 2 PŁ Łódź Panak M., Ciekawa fizyka,

5

6 Składniki oceny końcowej 1. Wykład (średnia ocen z kolokwiów wykładowych, przy czym każde kolokwium musi być zaliczone na ocenę pozytywną) - 60 %. 2. Laboratorium (średnia ocen ze sprawozdań i odpowiedzi ustnych) - 40 %.

7 struktura atomowo-cząsteczkowa materii ciała stałe kryształy polikryształy ciała amorficzne Konsystencja ciała stałego ale jednocześnie struktura cieczy ( zamrożona ciecz)

8

9

10

11 struktura atomowo-cząsteczkowa materii ciecze ciecze właściwe Pełna swoboda translacji i rotacji cząstek. Gęste upakowanie ale brak dalekiego uporządkowania. ciekłe kryształy (mezofaza) Konsystencja cieczy ale jednocześnie dalekozasięgowa struktura jak w kryształach stałych. nematyk cholesteryk smetyk (smektyk)

12 struktura atomowo-cząsteczkowa materii gazy Najchętniej omawiane w ramach termodynamiki z uwagi na względną łatwość opisu. Bardzo słabe oddziaływania międzycząsteczkowe. Pełna swoboda ruchu cząstek. W chaotycznym ruchu wypełniają całkowicie dowolne naczynie w którym je umieścimy.

13 struktura atomowo-cząsteczkowa materii plazma Zjonizowany gaz (mieszanina jonów i wolnych elektronów). Ponad 99,9% materii Wszechświata to plazma! plazma niskotemperaturowa plazma wysokotemperaturowa

14 przemiany fazowe ciepło utajone przemiany S ciała stałe L ciepło utajone przemiany gazy ciecze R ciepło utajone przemiany

15 przemiany fazowe ciało amorficzne ciało stałe ciecz mięknięcie zmiana temperatury w pewnym zakresie płynięcie topnienie temp. topnienia ciekły kryształ klarowanie temp. klarowności ciecz (izotropowa)

16 ruch cząstek Bez względu na stan skupienia, cząstki (atomy, cząsteczki) znajdują się w nieustannym bezładnym ruchu nawet w zerze bezwzględnym! (tzw. drgania zerowe - np. w helu) cząstki 1-atomowe 3 stopnie swobody ruchu postępowego cząstki 2-atomowe 3 stopnie swobody ruchu postępowego + 2 stopnie swobody ruchu obrotowego (+ oscylacje wewnętrzne) cząstki 3-atomowe i większe 3 stopnie swobody ruchu postępowego + 3 stopnie swobody ruchu obrotowego (+ oscylacje wewnętrzne)

17 oddziaływania międzycząstkowe energia oddziaływania 0 suma odpychanie przyciąganie odległość między cząstkami Energia oddziaływania cząstek jako złożenie dalekozasięgowych oddziaływań przyciągających i krótkozasięgowych odpychających.

18 energia wewnętrzna Energia bezładnego ruchu cząstek to energia kinetyczna ozn. dla i-tej cząstki E ki Energia wzajemnego oddziaływania cząstek to energia potencjalna ozn. dla i-tej cząstki E pi Sumę energii kinetycznych i potencjalnych wszystkich N cząstek danego układu nazywamy jego energią wewnętrzną i oznaczamy jako U U N E ki E pi i 1

19 równowaga termodynamiczna A E k B Na styku ciał A i B dochodzi do zderzeń pomiędzy ich cząstkami. W każdym takim zderzeniu następuje przekazanie w jedną lub drugą stronę nadmiaru energii kinetycznej. Jeśli ogółem (na całym styku) tyle samo energii płynie średnio w prawo co i w lewo, to mówimy, że A i B są w równowadze termodynamicznej.

20 zerowa zasada termodynamiki A B C Jeśli ciała A i B są w równowadze termodynamicznej oraz B i C są w równowadze termodynamicznej, to również A i C są w równowadze termodynamicznej tzn. byłyby, gdyby połączono je bezpośrednio. Muszą chyba mieć coś wspólnego jakiś wspólny dla wszystkich parametr jaki???

21 temperatura (definicja kinetyczno-molekularna) Czym szczególnym charakteryzują się trzy ciała z zerowej zasady termodynamiki, że niezależnie od kombinacji znajdują się parami w stanie równowagi termodynamicznej??? Identyczna jest średnia energia kinetyczna cząstek tworzących każde z tych ciał!!! E ka E Jest to parametr mikroskopowy niedostrzegalny dla nas. Z makroskopowego punktu widzenia powiemy, że A,B i C mają identyczne temperatury. kb Temperatura bezwzględna T jest miarą średniej energii kinetycznej bezładnego ruchu cząstek. gdzie: E k ~ T lub dokładniej i to liczba stopni swobody dla cząstek, z których zbudowane jest ciało k B = J/K to tzw. stała Boltzmanna E E k kc i 2 k B T

22 eksport-import energii wewnętrznej Warunek konieczny: Aby między dwoma ciałami mógł nastąpić przekaz energii wewnętrznej, muszą mieć one różne temperatury, czyli tym samym różne średnie energie kinetyczne chaotycznego ruchu cząstek. Przekazywany jest wyłącznie kinetyczny składnik energii wewnętrznej. Efektywny przepływ energii zachodzi od ciała o większej temperaturze do ciała o mniejszej temperaturze i trwa aż do wyrównania się temperatur. Proces przepływu/przekazu kinetycznego składnika energii wewnętrznej nazywamy tradycyjnie przepływem/przekazem ciepła, ale pamiętajmy, że w rzeczywistości nie istnieje substancja o nazwie ciepło!!! Ciepło pobrane lub oddane Q można obliczyć za pomocą następującego wzoru: Q c m T ciepło właściwe substancji masa substancji zmiana temperatury

23 Ciepło pobrane lub oddane podczas przemiany fazowej zapiszemy następująco: Q ciepło utajone przemiany fazowej L m masa substancji

24 sposoby przekazu ciepła przewodzenie Wymagany jest styk bezpośredni lub pośredni obu ciał. Przeniesienie energii odbywa się poprzez kolejne zderzenia cząstek. promieniowanie Przeniesienie energii odbywa się bezkontaktowo przez emisję i pochłanianie fotonów. konwekcja Medium (gaz lub ciecz) pobiera ciepło z ciała nagrzanego, unosi się do góry w stronę ciała chłodniejszego, gdzie oddaje nadmiar energii, a następnie opada aby znów się grzać.

25 praca termodynamiczna Dostarczenie energii do układu może się też odbyć poprzez wykonanie nad nim pracy. F Jak to działa??? Gazy: pchając tłok dodajemy energii zderzającym się z nim cząstkom rośnie energia kinetyczna chaotycznego ruchu cząstek. Ciała stałe i ciecze: mniejsze odległości większa energia potencjalna oddziaływania.!!! Może też energii z układu ubyć, jeśli to on wykona pracę nad otoczeniem. praca wykonana nad układem W p ciśnienie wywierane przez tłok p=f/s V wywołana zmiana objętości układu

26 I zasada termodynamiki matematycznie U Q W + do układu z układu + otoczenie nad układem układ nad otoczeniem literacko Niemożliwe jest zbudowanie perpetuum mobile I rodzaju, czyli maszyny, która wykonuje pracę lecz w zamian nie pobiera energii z zewnątrz ani też nie obniżania swej własnej energii wewnętrznej.!!! I zasada termodynamiki to szczególny przypadek zasady zachowania energii, odnoszący się do makroskopowych układów zbudowanych z mikrocząstek.