2.76 Определить скорость, при которой релятивистское сокращение линейных размеров тела составляет 10 %.
2.77 Собственное время жизни нестабильной частицы ∆to = 10 нс. Какой путь пролетит эта частица до распада в лабораторной системе отсчета, где ее время жизни ∆t = 20 нс?
2.78 В системе К' покоится стержень, собственная длина которого равна 1 м. Стержень расположен так, что составляет угол 45º с осью Х'. Определить длину системы стержня и угол в системе К, если скорость системы К′ относительно К равна 0,8 с.
2.79 Определить релятивистский импульс электрона, кинетическая энергия которого Т = 1 ГэВ.
2.80 Сколько времени пройдет на земле, если в ракете, движущейся со скоростью v = 0,95 с относительно Земли, пройдет t = 10 лет?
2.81 Один близнец отправляется в космическое путешествие, другой остается на Земле, причем путешествие длится 40 лет (по земным часам) со скоростью v = 0,2 с. Определить, на сколько моложе окажется космический путешественник.
2.82 Во сколько раз релятивистская масса частицы, скорость которой отличается от скорости света на 0,01 %, превышает ее массу покоя?
|
|
2.83 Найти скорость, при которой релятивистский импульс частицы в 2 раза превышает её ньютоновский импульс.
2.84 Какую работу надо совершить, чтобы увеличить скорость частицы с массой m от 0,6 до 0,8 с? Сравнить результат со значением. вычисленным по нерелятивистской формуле.
2.85 При какой скорости кинетическая энергия любой частицы равна ее энергии покоя?
Молекулярная физика и термодинамика
Основные формулы.
Количество вещества тела (системы)
ν = N / N A,
где N – число структурных элементов (молекул, атомов, ионов и т. п.), составляющих тело (систему);
N A – постоянная Авогадро, N A= 6,02 · 1023 моль–1.
Молярная масса вещества
μ = m / ν,
где m – масса однородного тела (системы);
ν – количество вещества этого тела.
Количество вещества смеси газов
ν = ν 1 + ν 2 +... + νn = N 1 / N A + N 2 / N A +... + Nn / N A
или
ν = m 1 / μ 1 + m 2 / μ 2 +... + mn / μn,
где νi, Ni, mi, μi – количество вещества, число молекул, масса, молярная масса i -го компонента смеси соответственно.
Уравнение Менделеева-Клапейрона (уравнение состояния идеального газа)
p · V = ν · R · T = · R · T,
где m – масса газа;
μ – молярная масса газа;
R – молярная газовая постоянная;
ν – количество вещества;
T – термодинамическая температура.
Опытные газовые законы, являющиеся частными случаями уравнения Менделеева-Клапейрона для изопроцессов:
– закон Бойля-Мариотта (изотермический процесс: T = const, m = const)
p · V = const,
или для двух состояний газа
p 1 · V 1 = p 2 · V 2;
– закон Гей-Люссака (изобарный процесс: p = const, m = const)
|
|
= const,
или для двух состояний газа
;
– закон Шарля (изохорный процесс: V = const, m = const)
= const,
или для двух состояний
;
– объединенный газовый закон (m = const)
= const или ,
где p 1, V 1, T 1 и p 2, V 2, T 2 – давление, объем и температура газа в начальном и конечном состояниях соответственно.
Закон Дальтона, определяющий давление смеси газов,
p = p 1 + p 2 +...+ pn,
где p i – парциальные давления компонентов смеси;
n – число компонентов смеси.
Парциальным давлением называется давление газа, которое производил бы этот газ, если бы только он один находился в сосуде, занятом смесью.
Молярная масса смеси газов
μ = ,
где m i – масса i -го компонента смеси;
ν i – количество вещества i -го компонента смеси, νi = mi / μi;
n – число компонентов смеси.
Массовая доля i -го компонента смеси газа (в долях или процентах)
ωi = mi / m,
где m – масса смеси.
Концентрация молекул
n = = ,
где N – число молекул, содержащихся в данной системе;
ρ – плотность вещества;
V – объем системы.
Формула справедлива не только для газов, но и для любого агрегатного состояния вещества.
Основное уравнение кинетической теории газов
p = 2/3 n · ,
где – средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы.
Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы
= 3/2 k · T,
где k – постоянная Больцмана.
Средняя полная кинетическая энергия молекулы
= k · T,
где i – число степеней свободы молекулы.
Зависимость давления газа от концентрации молекул и температуры
p = n · k · T.
Скорости молекул:
– средняя квадратичная
;
– средняя арифметическая
;
– наиболее вероятная
,
где m 1 – масса одной молекулы.
Относительная скорость молекулы
u = V / Vв,
где V – скорость данной молекулы.
Среднее число столкновений молекулы газа за 1 с
,
где d – эффективный диаметр молекулы газа;
n –концентрация молекул газа;
– средняя арифметическая скорость молекул газа.
Средняя длина свободного пробега молекул (расстояние, проходимое молекулой газа между двумя последовательными столкновениями)
.
Удельные теплоемкости газа при постоянном объеме Cv и постоянном давлении Cp определяются по формулам:
Cv = ; Cp = .
Связь между удельной c и молярной C теплоемкостями
с = C / μ, С = с · μ.
Уравнение Майера
Cp – Cv = R.
Внутренняя энергия идеального газа
U = .
Первое начало термодинамики
Q = U + A,
где Q – теплота, сообщенная системе (газу);
U – изменение внутренней энергии системы;
A – работа, совершенная системой против внешних сил.
Работа расширения газа
– в общем случае
A =
– при изобарном процессе
A = p (V 2 – V 1);
– при изотермическом процессе
A = RT ln ;
– при адиабатном процессе
A = – U = – CV · T или A = ,
где γ – показатель адиабаты, γ = CP / CV.
Уравнения Пуассона, связывающие параметры идеального газа при адиабатном процессе:
p ·V γ = const; ;
; .
Коэффициент полезного действия (КПД) цикла
η = ,
где Q 1 – теплота, полученная рабочим телом от нагревателя;
Q 2 – теплота, переданная рабочим телом холодильнику.
КПД цикла Карно
η = = ,
где T 1 и T 2 – температуры нагревателя и холодильника.
Разность энтропий двух состояний B и A определяется формулой
Δ S = .
Типовые задачи