Физика за први разред средњих стручних школа - 21082

САДРЖАЈ

1. УВОД У ФИЗИКУ 1.1. Предмет физике . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Задатак физике . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Методе проучавања у физици . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.2. Физика и друге науке . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.3. Физичке величине . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Основне и изведене физичке величине . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Скаларне и векторске физичке величине . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Физички закони . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Сажет преглед . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Питања за утврђивање градива . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2. МЕХАНИКА 2.1. Референтни системи. Вектор положаја . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Механичко кретање . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Вектор положаја . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.2. Равномерно и неравномерно кретање . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Путања и пут . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Померај . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.3. Тренутна брзина. Убрзање . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Брзина при равномерном праволинијском кретању . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Брзина при криволинијском кретању . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Средња вредност брзине . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Тренутна брзина . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Средње убрзање. Тренутно убрзање . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.4. Праволинијско кретање са сталним убрзањем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Зависност брзине од времена . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Зависност пута од времена . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Зависност брзине од пута . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.5. Импулс и сила . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Узајамно деловање (интеракција) тела . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Сила . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Маса тела . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Импулс тела . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.6. Њутнови закони . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 Закон инерције (Први Њутнов закон) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Закон о деловању силе (Други Њутнов закон) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Закон силе акције и реакције (Трећи Њутнов закон) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 2.7. Кретање у гравитационом пољу . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Убрзање Земљине теже . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Слободно падање . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Хитац навише и хитац наниже . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

4

2.8. Полуга и момент силе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Просте машине . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.9. Рад. Снага. Енергија . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Механички рад . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Снага . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Кинетичка енергија . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Рад и кинетичка енергија . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Потенцијална енергија . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Укупна енергија у механици . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 Сила човекових мишића . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Сажет преглед . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Питања за утврђивање градива . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 3. ТОПЛОТНЕ ПОЈАВЕ 3.1. Међумолекулске силе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 Чврста тела. Кристали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Еластичност чврстих тела. Хуков закон . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Течности. Површински напон . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 Адхезија и кохезија . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 3.2. Топлотно ширење . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 Топлотно ширење чврстих тела и течности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 Топлотно ширење гасова . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 3.3. Топлотно кретање молекула . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 Температура . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Целзијусова и Келвинова температурна скала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 3.4. Унутрашња енергија и топлота . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 Унутрашња енергија тела . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 Количина топлоте . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 Топлотна равнотежа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 3.5. Агрегатна стања супстанције . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Топљење и очвршћавање . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Испаравање и кондензација . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 3.6. Преношење топлоте . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Провођење . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Струјање . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 Зрачење . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 3.7. Ефекат стаклене баште . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 Метеорологија. Атмосферски притисак . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 Сажет преглед . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 Питања за утврђивање градива . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 4. ЕЛЕКТРИЧНЕ И МАГНЕТНЕ ПОЈАВЕ 4.1. Количина наелектрисања . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 Наелектрисавање тела . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Електричне појаве у атмосфери . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 4.2. Кулонов закон . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

5

4.3. Електрично поље . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 Јачина електричног поља . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 Електрични потенцијал . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 Електрични напон . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 4.4. Једносмерна електрична струја . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 Јачина електричне струје . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 Електрични отпор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 Омов закон . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 Рад електричне струје . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 Џул–Ленцов закон . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 Снага електричне струје . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 4.5. Магнетно поље и магнети . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 Магнетно поље сталног магнета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 Магнетно поље Земље . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 Магнетно поље струјног проводника . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 Линије силе магнетног поља проводника са струјом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 Магнетно поље соленоида . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 Електромагнет . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 4.6. Магнетна индукција . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 Магнетни флукс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 Амперова сила . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 Електромотор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 4.7. Електромагнетна индукција . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 Наизменична струја . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 Никола Тесла – велики проналазач . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 Михајло Пупин – велики проналазач . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 Сажет преглед . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 Питања за утврђивање градива . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 5. ОСЦИЛАЦИЈЕ И ТАЛАСИ 5.1. Осцилаторно кретање . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 Линеарни хармонијски осцилатор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 Величине које карактеришу осцилаторно кретање . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 Математичко клатно . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 Непригушене, пригушене и принудне осцилације . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 Резонанција . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 Електромагнетне осцилације . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 5.2. Таласи у механици . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 Попречни и уздужни таласи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 Карактеристике таласа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 5.3. Електромагнетни таласи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 Спектар електромагнетних таласа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 5.4. Звучни таласи (звук) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 Извори звука . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 Карактеристике звука . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 Заштита од буке . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

6

Инфразвук и ултразвук . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 Ултразвук у медицини . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 Дејство зрачења Сунца на људски организам . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 5.5. Оптика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 Одбијање светлости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 Равна огледала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 Дифузна светлост . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 Сферна огледала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 Лик предмета у сферним огледалима . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 5.6. Преламање светлости. Индекс преламања . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 Тотална рефлексија светлости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 Примена оптичких нити . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 Оптичка сочива . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 Лик предмета у сочивима . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 Јачина и увећање сочива . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 5.7. Оптички инструменти . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 Сажет преглед . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 Питања за утврђивање градива . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 6. САВРЕМЕНА ФИЗИКА 6.1. Фотон и његова енергија . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 Двојна природа светлости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 Фото-електрични ефекат . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 6.2. Структура атома . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 Енергијски нивои атома и прелази између њих . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 Рендгенско зрачење . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 6.3. Ласери. Спонтана емисија светлости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 Стимулисана (индукована) светлост . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 Ласери . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 6.4. Структура атомског језгра. Основне карактеристике језгра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 Нуклеарне силе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 Дефект масе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 Енергија везе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 6.5. Радиоактивни распади језгра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 Алфа распад . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 Бета распад . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 Гама распад . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 Фисија . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 Фузија . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 6.6. Нуклеарна енергетика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 Заштита од зрачења . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 6.7. Сунчев систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 Звезде . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 Галаксије . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 Сажет преглед . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266 Питања за утврђивање градива . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275

7

2. 2.6. ЊУТНОВИ ЗАКОНИ ИСАК ЊУТН Сер Исак Њутн (Sir Isaac Newton, 1642‒1727) рођен је 4. јануара 1642. године у Вулсторпу. Убрзо по рођењу остао је без оца, те је васпитање малог Исака преузела бака. Средњу школу похађао је у градићу Грантам, где су га упамтили по изразитим склоностима да конструише врло сложене механичке игра­чке, моделе и сл. Веома је лепо цртао. Соба му је била пуна слика и цртежа. Када је завршио средњу школу, његово је­дино интересовање биле су књиге. На инси­стирање учитеља, мајка га је послала на студије у Кембриџ. Њутн је стигао у Тринити колеџ у јуну 1661. године и у њему је остао 35 година! Био је велики заљубљеник у књиге, али међу 1.800 књига, које су остале иза њега, није било романа, ни поезије, већ само научне литературе. Године 1669. Њутн је постао професор математике и физике у славном Кембриџу. Живео је у соби која је личила на манастирску ћелију, предан само професорском и истраживачком раду. Прва област његовог интересовања била је оптика. Својеручно је изградио телескоп са увеличањем четрдесет пута и поклонио га је 1671. године Краљевском друштву Лондона. Следеће године постао је и члан тог угледног друштва. Сва своја истраживања из области оптике 1704. године сабрао је у тротомну књигу Оптика. Од године 1676. Исак Њутн посветио се изучавању механике. Основна откри­ћа у тој области изложио је у најмону­менталнијем раду, у књизи која је наредних векова представљала стуб природних наука, Математички принципи природне филозофије (1687). Њутн је био изабран и за председника Лондонског краљевског друштва (Ака­де­мије наука), а краљица Ана му је 1705. године доделила титулу лорда. Умро је 1727. године, а сахрањен је у Вестмин­стерској опатији у Лондону.

48

--

Монументално дело Исака Њутна, Математички принципи природне филозофије имало је вишеструки значај. Наиме, физика је после 1687. добила један нов квалитет и нову теорију, која је у потпуности била експериментално потврђена. Она је кључ за разумевање фундаменталне физике. Принципи су надаље демонстрирали снагу једне теорије јер је она физичарима била као модел за успешно проучавање других физичких појава. У свом епохалном делу Њутн дефинише три основна закона дина­мике, тј. класичне механике уопште. То су: 1. Закон инерције, 2. Закон о деловању силе (основни закон динами– ке), 3. Закон силе акције и реакције.

ЗАКОН ИНЕРЦИЈЕ (ПРВИ ЊУТНОВ ЗАКОН) Кликер на глаткој хоризонталној подлози остаје у стању мировања све док га ми не погурамо одређеном почетном брзином (слика 2.33). Након тога кликер ће се кретати праволинијски успорено, да би се након одређеног времена зауставио. Дакле, и после деловања наше руке на кликер он је наставио да се креће. Зашто се кликер зауставио? Заустављање је последица деловања подлоге на кликер (трење). У основној школи научили сте да интензитет силе трења зависи од врсте подлоге. У нашем примеру сила трења је већа уколико је нпр. подлога песак, а мања је ако је подлога стакло. Постоји још једна сила која се супротставља кретању тела и утиче на његово заустављање – сила отпора средине (ваздуха, воде). Поставља се питање: шта би се десило када би се уклонило дејство силе трења и силе отпора средине. Кликер би се неограничено дуго кретао када би се у потпуности уклонили трење између кликера и подлоге и отпор ваздуха. Разматрајући такве огледе, Њутн је формулисао Закон инерције: Тело се креће равномерно праволинијски или се налази у стању релативног мировања ако на њега не делују друга тела (или се деловања других тела међусобно поништавају):    v = const; = a 0;= F 0,.

v v

песак

v

дрво стакло

Слика 2.33. Зависност Сл.–3.6. силе трења од врсте подлоге

МЕХАНИКА

49

2. Може се навести доста примера да се тело налази у стању ре­лативног мировања, или равномерног праволинијског кретања, када се деловања других тела узајамно поништавају. На пример, књига мирује на столу (слика 2.34), а знамо да је привлачи Земља. Међутим, то привлачење поништено је деловањем стола на књигу (сила реакције подлоге). Када држимо кофер у руци, узајамно се поништавају сила мишића руку и тежина кофера. Закон инерције у физици има вишеструки значај. Пре све­га, он открива основно својство тела – инертност. Затим, показује екви­ва­лентност стања мировања и равномерног праволинијског кретања јер се оба стања постижу ако је испуњен Слика 2.34. – Релативно мировање један исти услов: искључена су или узајамно поништена деловања других тела. Коначно, то је универзални закон: применљив је на сва тела и честице, од звезда и планета, преко тела на Земљи, па све до атома, протона, електрона.

ЗАКОН О ДЕЛОВАЊУ СИЛЕ (ДРУГИ ЊУТНОВ ЗАКОН) Овај закон један је од основних закона механике. Он говори о повезаности силе, масе и убрзања. Веза између тих физичких величина може се установити и експериментално помоћу апаратуре приказане на слици 2.35. Лака колица постављена на хоризонталне D F угаоне шине (трење је занемарљиво) везана су a неистегљивим концем за динанометар. Конац је пребачен преко котура с могућношћу да се на доњи део прикаче тегови различитих маса. Сила затезања конца проузроковаће кретање колица, а интензитет те силе показиваће Q динамометар. Циљ оваквог експеримента је да се прати промена убрзања колица изазвана силом затезања конца (мењањем масе окачених тегова) Слика 2.35. – Апаратура за испитивање и промена убрзања колица изазвана увећавањем Другог Њутновог закона масе колица (додавањем тегова на колица). Сл. 3.8. Мерења су показала да је убрзање колица управно сразмерно интензитету силе: a ∼ F, а да је обрнуто сразмерно маси колица: a ∼ �

50

1 . m

Ако се обједине те две тврдње, долази се до једне од формулација Другог Њутновог закона: 

 F a ∼� . m

Убрзање тела сразмерно је сили која на њега делује, а обрнуто сразмернo маси тела. Или:   F = m ⋅a . Производ масе и убрзања једнак је сили која делује на то тело. Јединица силе је њутн [N]. Сила од једног њутна је она која телу масе једног килограма даје m убрзање један метар у секунди на квадрат N = kg ⋅ 2  . s   Маса тела у кретању не мора увек да буде константна (као у експерименту с колицима). У том случају овај закон се не може дефинисати преко масе и убрзања, већ преко промене импулса, што представља општу формулацију овог основног закона динамике.

  Из израза F = m ⋅ a ,         ∆v v2 – v1 m ⋅ v2 – m ⋅ v1 p2 – p1 ∆p  =m ⋅ = = = =F . следи: m ⋅ ∆t ∆t ∆t ∆t ∆t

Дакле,         ∆v v2 – v1 m ⋅ v2 – m ⋅ v1 p2 – p1 ∆p  m⋅ =m ⋅ = = = =F . ∆t ∆t ∆t ∆t ∆t Однос промене импулса и интервала времена током којег се врши та промена једнак је сили (или резултанти сила) која делује на тело. На тело може истовремено да делује више сила. Тада је резултујућа сила једнака векторском збиру свих сила које делују на дато тело. У том случају Други Њутнов закон има облик:

      m ⋅ a = F = F1 + F2 + F3 + ... + Fn . Када на тело истовремено делује више сила, оно добија убрзање једнако убрзању које би му саопштила одговарајућа резултантна сила.

МЕХАНИКА

51

2. 2.10. ПРИМЕР Колика сила треба да делује на тело масе m = 1 kg да би се његова m m брзина повећала од v0 = 20 до v = 80 , за време од 10 s? s s Подаци v0 = 20

m m , v = 80 , m = 1 kg, t = 10 s; F = ? s s

Решење На основу Другог Њутновог закона, добија се m 60 v – v0 ∆p s = F == = m⋅ 1kg ⋅ 6 N. ∆t ∆t 10 s

2.11. ПРИМЕР Сила сталног интензитета 10 N делује на тело масе 20 kg током 10 s. За колико се промени брзина тог тела? Наћи промену његовог импулса. Подаци F = 10 N, m = 20 kg, Δt = 10 s; Решење Из релације F =

Δv = ?, Δp = ?

m ⋅∆v F ⋅∆t m се налази: ∆v= = 5 , а одговарајућа ∆t m s

промена импулса је ∆p= m ⋅∆v=100 kg

52

m . s

2. 2.15. ПРИМЕР Робот у фабрици аутомобила механичком руком држи каросерију тежине 1 kN. Ако је момент силе којом каросерија делује на зглоб механичке руке 1.000 Nm, колика је дужина механичке руке? Подаци Q = 1.000 N, М = 1.000 Nm; a = ? Решење Из формуле M = Q . a, следи a =

M = 1 m. Q

ПРОСТЕ МАШИНЕ У физици се сматра да је машина свака направа која се може искористити за пренос дејства силе мењајући при томе њен интензитет и правац. Све машине, чак и оне сложене, састоје се од такозваних простих машина. Два су основна типа простих машина: полуге и стрме равни. На принципу полуге заснован је рад неких простих машина као што су котур и вретено. Котурови се често користе за подизање терета на већу висину, најчешће у грађевини. Котур је ужлебљени точак за постављање ужета (слика 2.45).

Слика 2.45. – Котур

Точак се обрће око осовине која се налази на посебном држачу. За један крак ужета привезан је терет а на други се делује силом. При подизању терета котур се обрће.

Слика 2.46. – Вретено код бунара

60

Вретено је уређај који се користи на пример за вађење воде из бунара. Точак и вратило чврсто су спојени, тако да имају заједничку осовину око које се окрећу. Терет виси о ужету које се намотава око вратила када се на ручицу делује силом (слика 2.46). Вретено се не користи само за подизање терета већ и за покретање бицикла (зупчаник са педалама), а налази се и у волану за управљање возилом.

При подизању терета људи користе косо постављену даску или неку другу стрму раван. Сила потребна да се терет вуче по стрмини мања је од силе потребне да се тело подигне вертикално (слика 2.47). Уколико је нагиб стрме равни мањи, утолико је потребна слабија сила.

Слика 2.47. – Стрма раван и подизање терета

Можемо издвојити још две просте машине засноване на принципу стрме равни. То су клин и завртањ. Клин се добија спајањем две стрме равни по основици (на пример секира). Сила којом се делује по горњој површини клина преноси се на бочне странице. Завртањ се добија ако се стрма раван „намота” на један ваљак. Малим обртањем главе завртња веома чврсто спајамо различите делове (слика 2.48).

Слика 2.48. – Секира и завртањ

МЕХАНИКА

61

3.

ТОПЛОТНЕ ПОЈАВЕ Око нас се свакодневно дешавају појаве условљене загревањем или хлађењем тела, преласком тела из једног агрегатног стања у друго и слично. То су топлотне појаве. Примери су бројни: загревање и хлађење ваздуха, мржњење воде, топљење метала и др. Све су то процеси у којима тела размењују топлотну енергију ‒ нека је предају, а нека је примају. Најчешће се у тим процесима дешавају промене температуре: ако тело прима топлоту, температура му расте, тело се загрева; ако тело отпушта топлоту, температура му се снижава, тело се хлади. На пример, укључена грејалица у соби отпушта топлоту, ваздух у соби је прима и загрева се. У топлотне појаве убрајају се и преласци супстанције из једног агрегатног стања у друго. На пример, ако коцку леда ставимо у посуду која се налази на загрејаној рингли, примиће топлоту и истопиће се (прећи ће из чврстог стања у течно стање); ако посуду са водом ставимо у замрзивач, вода ће отпустити топлоту и заледиће се (прећи ће из течног стања у чврсто стање); вода која кључа на шпорету, испарава (прелази из течног стања у гасовито стање). Појмови који ће обележити ово поглавље, и које често користимо и у свакодневном животу, јесу топлота, температура, размена топлоте. Упознали сте их и у основној школи, али ћемо њихов дубљи физички смисао спознати у наредним излагањима.

3.1. МЕЂУМОЛЕКУЛСКЕ СИЛЕ Топлотне појаве, као и механичко кретање тела, одувек су привлачиле човекову пажњу. Оне играју велику улогу у људском животу, али и у биљном и животињском свету. Измена температуре нашег тела само за један степен наговештава здравствени поремећај. Колико топлотне промене утичу на живи свет, најбоље се види по годишњим добима. Све топлотне појаве покоравају се одређеним законима, а они нам омогућују примену тих појава у пракси, техници. Савремени топлотни мотори, уређаји за хлађење и други апарати конструисани су на основу познавања закона топлотних појава. Да бисмо схватили суштину топлотних појава, треба претходно да упознамо основе молекуларно-кинетичке теорије, јер упознавањем те теорије улазимо у свет молекула, атома. Ми се овом теоријом нећемо детаљно бавити. Посматраћемо структуру и својства супстанције полазећи од представе о молекулу (атому) као елементарној честици.

84

Међутим, молекул није недељива честица. Састављен је од атома, а и атоми су изграђени од ситнијих честица: електрона у атомском омотачу и протона и неутрона у атомском језгру (што нам је познато из основне школе). У молекуларно-кинетичкој теорији говорићемо о молекулу као најситнијој честици супстанције, подразумевајући при томе да је реч о честици која има иста својства као и сама супстанција. Молекул воде на пример има иста својства као кап воде и као вода у базену; атоми водоника и кисеоника, од којих је састављен молекул воде, имају битно другачија својства. Најмања честица супстанције, која има иста хемијска својства као и сама супстанција, зове се молекул. Мерења и прорачуни показују да су димензије разних молекула веома различите. Већина молекула не може се видети ни помоћу најсавременијих (електронских) микроскопа. Али, постоје и „џиновски молекули” органских једињења, који се виде помоћу електронског микроскопа. Зато, када се говори о димензијама молекула, обично се наводи да је пречник молекула гаса реда величине 10–10 m. Да би представа о димензијама молекула била јаснија, праве се упоређења: запремина једног молекула гаса мања је од једног кубног центиметра исто толико колико је кубни центиметар мањи од запремине Земљине кугле.

ЧВРСТА ТЕЛА. КРИСТАЛИ У односу на структуру и основна својства, чврста тела могу се поделити на кристална и аморфна тела. Чврста тела с уређеним распоредом саставних честица (атома, молекула, јона) називају се кристална тела (кристали). Честице од којих се састоји кристал образују у простору геометријски правилну кристалну решетку (просторну решетку). На слици 3.1 приказана је кристална решетка NaCl (кухињске соли) и модел кристала NaCl. Између молекула (атома, јона) кристала делују релативно јаке молекулске силе. Пошто је сваки молекул окружен другим молекулима, те силе су уравнотежене: молекули (њихови центри) се налазе у одређеним положајима – чворови кристалне решетке. Међумолекулске силе имају правац дужи које повезују чворове. На тај начин у простору се добија правилна тродимензионална решетка – модел кристалне решетке. Основу кристалне решетке представља елементарна ћелија која има просторни облик коцке, правоугаоне или косоугаоне призме и др. (у зависности од врсте кристала). У чворовима кристалне решетке налазе се распоређени атоми, молекули или јони.

Слика 3.1. – Кристална решетка и модел кристала кухињске соли NaCl

ТОП ЛОТНЕ ПОЈАВЕ

85

3.

Слика 3.2. – Монокристали кухињске соли, кварца и сахарозе

Ако се уређени распоред честица понавља у границама стотина, хиљада и десетина хиљада елементарних ћелија, у чврстим кристалним телима постоји даља уређеност (даљи поредак). Када је даљи поредак распрострањен кроз цело чврсто тело, оно представља монокристал. Спољни изглед монокристала је често геометријски правилан и симетричан, и тада одражава његову унутрашњу структуру, која није непосредно уочљива. На слици 3.2 приказани су монокристали кухињске соли, кварца и сахарозе. У монокристалима постоји зависност њихових физичких карактеристика (чврстина, еластичност, топлотна проводљивост и др.) од правца у кристалу. Неједнакост физичких карактеристика у кристалу у различитим правцима назива се анизотропија. Много чешће се чврсто тело као целина састоји од огромног броја врло ситних монокристала, који су срасли међу собом својим различитим страницама, те су хаотично распоређени у телу. Таква тела називају се поликристали (поликристална тела). Ситни и у њима срасли монокристали немају правилан облик и називају се кристална зрна (такви су метална чрста тела, лед и др.). Кристална зрна метала могу да се виде под лупом или микроскопом, а понекад и непосредно на прелому металног тела. С обзиром на то да су кристална зрна неуређено распоређена у телу, поликристална тела нису анизотропна, већ су изотропна: она имају у свим правцима исте физичке карактеристике. Постоје многе методе за испитивање структуре кристалних тела (кристала). Једна од најзначајнијих и најпрецизнијих је рендгенска структурна анализа. Осим за кристална, знамо и за аморфна чврста тела. У њима постоји ближа уређеност (ближи поредак): уређен је распоред (или узајамна оријентација) суседних честица (молекула, атома). По својој структури, аморфна чврста тела су блиска течностима. Као пример таквих тела можемо да наведемо тела од смоле, стакла и пластичних маса.

ЕЛАСТИЧНОСТ ЧВРСТИХ ТЕЛА. ХУКОВ ЗАКОН Под утицајем спољашњих сила, чврста тела у већој или мањој мери мењају димензије, запремину и облик. Такве промене називају се деформације тела. У зависности од начина на који спољашње силе делују на тело, постоје различите врсте деформација: истезање, сабијање, увртање, савијање и смицање. Размотрићемо детаљније само појаву истезања чврстих тела.

86

Еластичност је својство тела да се после престанка деловања спољашњих сила враћа у првобитно стање: да има исте димензије, исти облик и исту запремину које је имало пре деловања сила. Када су силе које деформишу тело веће од неке одређене вредности (карактеристичне за сваки материјал тела), тело остаје трајно деформисано. Тела која се не враћају после деформације у првобитно стање, ма колико биле мале силе деформације, називамо пластичним, односно кажемо да имају својство пластичности. Тако, на пример, комад пластелина после деформације задржава облик који су узроковале спољашње силе. Еластичност материјала последица је својства међумолекулских сила и структуре чврстог тела. Пре деформисања молекули (честице) тела налазе се на равнотежним растојањима једни од других. Када се тело деформише, растојања између молекула, атома или јона се мењају, и појављују се међумолекулске силе привлачења или одбијања између тих честица. Сила између честица (молекула, атома) деформисаног тела макроскопски се испољава као сила еластичности. Она се супротставља деформацијама и враћа тело у првобитно стање по престанку деловања спољашње силе. Тела која немају могућност еластичне деформације су пластична: восак, глина, пластелин итд.

Хуков закон Посматрајмо апаратуру приказану на слици 3.3. Танка метална жица дужине  и површине попречног пресека S причвршћена је за таваницу и оптерећена тегом T. Тежина тега, F, делује на доњи попречни пресек жице. Жица се тим деловањем истегне за дужину Δ, која се назива апсолутно истезање. Претпоставићемо да се попречни пресек жице S није променио. Експериментима је утврђено да величина апсолутног истезања зависи од врсте материјала од којег је жица, и да је оно управо сразмерно интензитету силе која врши истезање. Показало се и то да је величина Δ управо сразмерна првобитној дужини жице , а да је обрнуто сразмерна површини попречног пресека жице S. Ако ту зависност представимо математичком формулом, добија се:

∆ =

1 F ∆ 1 F ⋅ ⋅ ; = ⋅ ,, E S  E S

што представља Хуков закон.

Слика 3.3. – Апаратура за испитивање Хуковог закона

ТОП ЛОТНЕ ПОЈАВЕ

87

3. Овде је E коефицијент који карактерише еластична својства материјала од којег је жица, и назива се модул еластичности (Јунгов модул). F  Увођењем појмова нормалан напон  σ N =  и релативно истеS   ∆  зање  , Хуков закон може да се запише у облику:     ∆ 1 = ⋅σ N .  E

∆ = ε зове се релативно истезање.  ∆ 1 = ⋅σσNN и релативног истезања ε, према Веза између нормалног напона  E претходним формулама, може да се напише у облику формуле: Величина

σ N= E ⋅ ε . Дакле, нормалан напон сразмеран је релативном истезању. Ако напон деформације пређе критичну вредност (за дату супстанцу), тело (жица) ће се трајно деформисати, а у неком моменту може се и покидати. Осим истезања и сабијања тела, као што смо навели, постоје и други облици деформација: савијање и увијање, као и смицање, што је приказано на сликама 3.4 и 3.5. Када извршимо хоризонталан притисак на корицу дебеле књиге која лежи на столу, листови књиге се померају, смичу једни према другима у паралелним равнима. Наступа деформација смицања листова, слојева књиге. Аналогно томе, може да се говори и о смицању других тела.

Слика 3.4. – Савијање и увијање шипке

88

Слика 3.5. – Деформација смицања

3.1. ПРИМЕР На челичној шипки пресека 2 cm2 виси тело масе 5 t. Колико је релатив­но N истезање шипке ако је модул еластичности челика 2,2 . 1011 2 ? m Подаци N S = 2 cm2 , m = 5 t, E = 2,2 . 1011 2 ; m

∆ =? 

Решење Сила која истеже шипку је тежина телa: Q = mg = 49 . 103 N.

Q 49 ⋅103 N N = 2, 45 ⋅108 2 . На основу Хуковог Напон је при томе σ N= = –4 2 S 2 ⋅10 m m закона, релативно истезање једнако је

σN , где је E модул еластичности. E

N 24,5 ⋅10 7 2 ∆ m= 1,11⋅10 –3. Значи, релативно истезање је: =  2, 2 ⋅1011 N m2

ТЕЧНОСТИ. ПОВРШИНСКИ НАПОН По неким својствима, течности су сличне гасовима, док, по другим, сличне су чврстим телима. Слично гасовима, и течности истискују тела која се у њима налазе (потисак), а притисак се преноси подједнако на све стране. Док гасови увек испуњавају цео расположиви простор и немају сталан сопствени облик, нити сталну запремину, течности, слично чврстим телима, имају сталну сопствену запремину, и лако променљив облик. Под утицајем силе незнатног интензитета, поједини делови течности лако се премештају у односу на друге делове, што се описује као својство „лаке” покретљивости, тј. могућности протицања. Захваљујући том својству, течност под дејством Земљине теже заузима увек облик суда у ком се налази, а њена слободна површина је хоризонтална.

ТОП ЛОТНЕ ПОЈАВЕ

89

3. Површински напон На површини која раздваја течност и гас настаје сила условљена различитим моле­кул­ским узајамним деловањем у тим срединама. Сваки молекул A у унутрашњости те­чно­сти равгас номерно је окружен суседним моле­ку­лима (слика 3.6). Резултанта међумолекулских сила које на њега делују једнака је нули. Међутим, молекул B на површини  течности изложен је деловању молекулских сила само FR од молекула из течно­сти, јер су молекулске силе мотечност лекула гаса занемарљиве. Молекули гаса налазе се на међусобним растојањима већим од радијуса молекулског деловања. Услед тога, молекул на површини изло жен је деловању резултанте међумолекулских сила FRR усмерене према унутрашњости течности. Слика 3.6. – Молекули у течности и на њеној Зато, молекули на површини течности „сажимају” површини површински слој течности, врше притисак на течност и супротстављају се преласку мо­лекула из унутрашњости течности у њен површински слој. Као резултат таквог понашања молекула на површини течности јављају се силе у хоризонталној равни површинског слоја, које делују на граници слободне површине течности, а испољавају се у виду смањивања сло­бодне површине течности. Те силе називају се силе површинског напона, а описана појава – површински напон. Многобројни су и свакоме приступачни огледи у којима се испољава површински напон. При образовању и откидању капљица воде из славине, која није сасвим затворена, може се видети како капљица постепено расте и, када достигне одређену величину, настаје сужење и на том месту се капљица откида. Изгледа као да се вода у капљици налази у истегљивој и затегнутој опни, која се раскида када кап достигне одређену величину. Мехури сапунице (слика 3.7) обично се стварају комбиновањем сапуна и воде и удувавањем ваздуха у смесу помоћу штапића Слика 3.7. – Мехури за прављење мехурића. Игла пажљиво стављена на површину воде неће сапунице потонути: површински слој воде (опна) се угиба, али га тежина игле не раскида. Пошто је молекул у површинском слоју у просеку упола мање везан него када је у унутрашњости, његова енергија приближно је два пута већа. Молекули површинског слоја стога располажу одговарајућом додатном потенцијалном енергијом (површинска енергија). Смањењем површине течности смањује се површинска енергија и обратно. Да би се повећала површина течности, мора се, значи, извршити одређени рад.

90

Колики ће тај рад бити, зависи пре свега од врсте течности, што се описује величином која се назива коефицијент површинског напона (γ). Дакле: A = γ · ΔS, где је ΔS повећање површине течности, а A рад који се при томе изврши. Коефицијент површинског напона изражава се џулима по ква­ J дратном метру  2  , или њутнима по метру  N  , и представља каракm  m теристику дате течности. Повећању потенцијалне енергије молекула површинског слоја при увећању површине течности супротстављају се молекулске силе течности. Због тога се горње површине течности понашају као расте­гнута опна (мембрана) која тежи да смањи своју површину, пружа отпор њеном повећању. Појава да се течности опиру повећању слободне површине, односно да теже да је смање назива се површински напон.

Адхезија и кохезија Међу молекулима у течностима делују јаке међумолекуларне силе. Ако силе делују између истоврсних молекула, зову се кохезионе силе. На пример кохезионе силе држе на окупу молекуле у капи воде. Адхезионе силе су силе између различитих молекула, на пример воде и стакла од којег је посуда у којој се вода налази. Ако су адхезионе силе између молекула течности и молекула зида посуде јаче од кохезионих, течност се пење уз зид посуде (слика 3.8, са водом у посуди). Уколико су кохезионе силе јаче, течност се спушта низ зид посуде (слика 3.8, са живом у посуди).

вода

жива ЖИВА

Слика 3.8. – Стаклени суд са водом и живом

ТОП ЛОТНЕ ПОЈАВЕ

91

3. 3.2. ТОПЛОТНО ШИРЕЊЕ ТОПЛОТНО ШИРЕЊЕ ЧВРСТИХ ТЕЛА И ТЕЧНОСТИ

Слика 3.9. – Ширење кугле при загревању

∆ℓ

ℓ

Слика 3.10. – Ширење шипке при загревању

а)

б)

Слика 3.11. – Ширење воде при загревању

92

Познато је да се тела при загревању шире, а при хлађењу скупљају. Ова појава важи за већину тела у природи. На слици 3.9 приказана је метална кугла која лако пролази кроз метални прстен. После загревања кугла више не може да прођe кроз тај прстен. То значи да је загревањем кугла повећала своју запремину. Жице далековода лети су опуштене, а зими су затегнуте. Зашто? При постављању железничке и трамвајске шине се не заварују, већ се оставља размак између њих на сваких двадесетак метара. Тај размак измећу шина лети се смањује, а зими повећава. Зашто? Метална шипка се загрева (слика 3.10). После извесног времена примећује се да се дужина шипке повећала. Истовремено се повећала и дебљина шипке, али је овде више изражена промена само једне димензије – дужине. Такво ширење тела назива се линеарно ширење тела. Линеарно ширење тела приметно је само када се ради о телима која имају једну димензију изражену (шипка, жица, греда), а друге две су много, много мање. Уколико су све три димензије тела подједнаке, на пример кад су у питању тела у облику коцке или лопте, термичка промена димензија изражена је као промена целе запремине тела при загревању. Запремина течности и гасова такође се мења при загревању. По­већање запремине течности при загревању може се показати помоћу стакленог балона кроз чији је запушач провучена стаклена цевчица (слика 3.11а). Балон се затвори и означи се ниво воде у цеви. Потом се започне загревање балона и воде у њему. Након извесног времена ниво воде у цевчици се подигне (слика 3.11б). Како се током загревања шири и балон, закључак је да се вода шири више него балон. Уопште, течности се при загревању више шире него чврста тела, а највише се шире гасови.

ТОПЛОТНО ШИРЕЊЕ ГАСОВА Запремина гаса одређена је запремином суда у којем се он налази, па се и запремина гаса мења онако како се мења запремина суда. Уколико се гас може слободно ширити или сабијати, и његова запремина се повећава при загревању, а смањује при хлађењу. Пример: ако гумену лопту оставимо дуго „на сунцу”, ваздух у лопти се рашири и она изгледа као да је боље напумпана; аутомобилске гуме морамо зими да допумпавамо управо зато што се због хладноће запремина ваздуха у њима смањила.

3.3. ТОПЛОТНО КРЕТАЊЕ МОЛЕКУЛА Запитајмо се шта се то заправо дешава у телу које се греје. Свако тело је систем састављен од много малих тела – честица или микрочестица, односно молекула и атома који се непрекидно крећу. Њихово кретање је хаотично, неуређено (слика 3.12). Молекули се крећу у свим правцима и смеровима, различитим брзинама, сударајући се међусобно и при сударима им се мењају брзине. Уколико је тело топлије, такво кретање молекула је интензивније, па се зато зове топлотно кретање. Слика 3.12.Сл. – Путања хаотичног Ако коцку шећера спустимо у чашу воде, сва вода ће 7.9. Путање молекулакретања молекула се засладити. Молекули шећера и молекули воде се крећу, међусобно сударају и након великог броја судара равномерно се измешају у чаши. Међутим, шећер ће се брже растворити у топлој води него у хладној, што показује да се молекули топле воде брже крећу него исти такви молекули хладне воде. Неуређено кретање молекула постоји и у чврстим телима као и у течностима и гасовима. Најмање су покретљиви молекули чврстих тела, а најинтензивније и најхаотичније се крећу молекули гасова. Између молекула тела делују привлачне силе и оне држе молекуле на окупу. То су међумолекулске силе. Оне су јаке уколико је растојање између молекула мало, не много веће од димензија самих молекула. Најјаче међусобно интерагују молекули у чврстим телима, нешто слабије у течностима, док је у гасовима интеракција молекула слаба, понекад занемарљива. Због свега тога, топлотно кретање је најмање изражено у чврстом стању. У гасовима практично и нема међумолекулских сила, молекули се слободно крећу, сударају и гас тако бива равномерно распоређен унутар расположиве запремине.

ТОП ЛОТНЕ ПОЈАВЕ

93

3. ТЕМПЕРАТУРА Са појмом температуре упознали смо се у основној школи уочивши да је температура једна од седам основних физичких величина. Тада смо је дефинисали као физичку величину којом се описује степен загрејаности тела. У свакодневном животу појам температура нам исказује разлику између хладнијих и топлијих тела. Наиме, топлијим телима приписује се виша температура него хладнијим. Како је осећај „топло” и „хладно” врло субјективан, неопходно је да температуру објективно дефинишемо. У физици топлотно кретање молекула одређује појмове „топло” и „хладно” и зато температура одражава унутрашње стање тела. Наиме, у топлијем телу молекули се брже крећу и имају веће кинетичке енергије. Из тога произлази дефиниција: температура је мера средње кинетичке енергије топлотног кретања молекула. Мерна јединица за температуру је келвин [К]. Температура изражена у келвинима зове се апсолутна температура. Најнижа могућа температура износи 0 К и зове се апсолутна нула.

ЦЕЛЗИЈУСОВА И КЕЛВИНОВА ТЕМПЕРАТУРНА СКАЛА У свакодневном животу температура се изражава у Целзијусовим степенима. Вредност 0°С одговара температури на којој се вода мрзне, а могуће су и температуре ниже од нуле. Установљено је да је најнижа могућа температура на Целзијусовој скали ‒273°С и то је вредност апсолутне нуле. Вредност једног степена или подеока Келвинове скале одабрана је тако да буде иста као вредност једног подеока Целзијусове скале. Скале су приказане на слици 3.13. Вредности температуре лако се прерачунавају из једне у другу скалу. На пример температура мржњења воде у Целзијусовој скали износи 0°С а на Келвиновој скали 273 К. Такође, вода кључа на 100°С а на Келвиновој скали је то 373 К. На основу претходног следи да се температура по Келвиновој скали, Т, израчунава тако што се броју 273 дода температура, t, мерена на Целзијусовој температурној скали. Дакле: Слика 3.13. – Целзијусова и Келвинова температурна скала

94

T = (273 +

t T ) K , односно t = ( – 273) oC . °C K K

3.2. ПРИМЕР Најнижа забележена температура ваздуха у Србији је –38°C. Колика је била апсолутна температура тог ваздуха? Подаци t = –38°C; T = ? Решење t T = (273 + ) K = 235 K. °C

3.3. ПРИМЕР Собну температуру од 27°C изразити у Келвиновој температурној скали. Подаци t = 27°C; T = ? Решење t T = (273 + ) K = 300 K. °C

3.4. ПРИМЕР Апсолутна температура на површини Сунца износи 6.300 К. Изразити је у Целзијусовој температурној скали. Подаци T = 6.300 К; t = ? Решење T t = ( – 273) °C = 6.027°C. K

3.5. ПРИМЕР Апсолутну температуру од 73 К изразити у Целзијусовој температурној скали. Подаци T = 73 К; t = ? Решење T t = ( – 273) °C = ‒200°C. K ТОП ЛОТНЕ ПОЈАВЕ

95

3. 3.4. УНУТРАШЊА ЕНЕРГИЈА И ТОПЛОТА УНУТРАШЊА ЕНЕРГИЈА ТЕЛА Научили смо да у механици постоје два облика енергије: кинетичка, којом располажу тела која се крећу, и потенцијална, карактеристична за тела чија интеракција зависи од њихових положаја. Механичко кретање је кретање појединих честица или тела као целине. Топлотно кретање је кретање мноштва микрочестица (молекула, атома и др.). Наиме, то је посебан облик кретања, које се врши у самим телима. Тело не мора да има механичку енергију (ни кинетичку ни потенцијалну), али молекули тела је имају – зато свако тело има одговарајућу енергију, која се зове унутрашња енергија. Унутрашња енергија тела је збир кинетичких и потенцијалних енергија свих молекула у том телу. Што је кретање молекула брже, то је и унутрашња енергија већа. Загрејана вода има већу унутрашњу енергију од хладне воде. Килограм леда има мању унутрашњу енергију од килограма воде. При загревању се повећавају кинетичке енергије молекула, па зато на вишим температурама тело има већу унутрашњу енергију. Унутрашња енергија тела сразмерна је температури. Шта је топлота? Топлота је удео унутрашње енергије који се са тела више температуре преноси на тело ниже температуре. То је спонтани природни процес који се дешава током њиховог топлотног међуделовања (топлотне размене).

КОЛИЧИНА ТОПЛОТЕ У процесу топлотне размене мења се унутрашња енергија тела, а физичка величина која изражава колика је та промена зове се количина топлоте. Количина топлоте је енергија коју тело прими или преда током процеса топлотне размене. Обично се количина топлоте означава словом Q а мерна јединица јој је џул [Ј]. Искуство нам каже да је промена температуре тела повезана с одавањем или додавањем одређене количине топлоте.

96

Мерења показују да постоји директна сразмерност те две величине (за загревање исте количине воде од 20°С до 30°С, потребно је три пута мање време него за загревање од 30°С до 60°С, а количина топлоте коју прими вода сразмерна је времену током којег се загрева). Исто тако, ако посматрамо загревање различитих маса исте супстанције, и ту постоји директна сразмера (да би се температура 1 kg воде повећала за 10°С , потребно је више времена него за 100 g воде). Закључак је да је количина топлоте коју тело прими или преда при загревању (хлађењу) сразмерна маси тела и промени температуре, што се путем формула може изразити на следећи начин: – количина топлоте коју тело масе m прими при порасту температуре од Т1 до Т2 одређена је формулом: Q = mc (T2 – T1), – количина топлоте коју тело масе m отпусти при снижењу температуре од Т1 до Т2 одређена је формулом: Q = mc (T1 – T2). У наведеним формулама c je величина која за сваку супстанцу има одређену вредност и зове се специфични топлотни капацитет. То је количина топлоте коју треба да прими или преда тело масе 1 kg да би му температура порасла или се снизила за 1 К. Какву особину тела нам заправо осликава специфични топлотни капацитет? Из формуле за количину топлоте изводи се закључак, уколико два тела истих маса приме исту количину топлоте, већа промена температуре десиће се телу мањег топлотног капацитета. Тела мањег топлотног капацитета брже се загревају и хладе. Чврста тела имају мањи специфични топлотни капацитет него течности. Већина супстанција има знатно мањи топлотни капацитет од воде. То у значајној мери одређује и климатске услове. Наиме, вода се лети спорије загрева него копно, па нам је поред воде пријатније него на копну, док се зими вода спорије хлади, па је у приморским крајевима зима блага у односу на континентални део.

ТОПЛОТНА РАВНОТЕЖА У процесу топлотне размене топлија тела предају топлоту, а хладнија је примају све док се не изједначе температуре свих тела која у размени учествују. Пошто смо се уверили да је топлота вид енергије, закон одржања механичке енергије може се проширити и на топлотну енергију. Другим речима, постоји енергетска равнотежа и у топлотним процесима.

ТОП ЛОТНЕ ПОЈАВЕ

97

3. Укупна количина топлоте коју тела предају у процесу топлотне размене једнака је укупној количини топлоте коју друга тела приме: Qпредато = Qпримљено . Ова једначина зове се једначина топлотне равнотеже. 3.6. ПРИМЕР Јабука масе 0,2 kg стављена је у хладњачу у којој је температура ваздуха 2°C. Колику количину топлоте отпусти јабука при хлађењу ако је њена почетна температура била 15°C. Специфична топлотна капацитивност јабуке приближно је једнака специфичној топлотној капацитивности воде, тј. J 4.200 . kgK Подаци J m = 0,2 kg, t2 = 2°C, t1 = 15°C, c = 4.200 ;Q=? kgK Решење Q = mc (t1 – t2) = 10,92 kJ. 3.7. ПРИМЕР Уље масе 200 g при повишењу температуре за 5°C прими количину топлоте 4.100 Ј. Колика је специфична топлотна капацитивност уља? Подаци m = 0,2 kg, Δt = 5°C, Q = 4.100 J; c = ? Решење Из формуле за количину топлоте налази се: J  J  Q = c = 4.100  . m ⋅∆t kgK  kg°C  3.8. ПРИМЕР Метални предмет масе 4 kg и специфичне топлотне капацитивности J 440 охлади се са температуре од 150°C на температуру од 50°C. kgK Израчунати количину топлоте коју метал отпусти при хлађењу. Подаци J m = 4 kg, t2 = 50°C, t1 = 150°C, c = 440 ; kgK Решење Q = mc (t1 – t2) = 176 kJ.

98

Q=?

3.5. АГРЕГАТНА СТАЊА СУПСТАНЦИЈЕ Из свакодневног живота нам је познато да је вода течност без боје, мириса и укуса. Такође знамо да вода испарава, па и кључа (на 100°C) прелазећи у пару, односно у своје гасно стање. Међутим, када захладни и температура се спусти испод 0°C, вода се заледи и пређе у лед – чврсто стање. Дакле, вода се јавља у три агрегатна стања: чврсто, течно и гасовито. Наравно, то је општа појава код свих супстанција, само су температуре прелазака из чврстог стања у течно стање и из течног стања у гасовито стање другачије. На пример, шећер је у кристалном облику, дакле у чврстом стању, али се загревањем (на више од 180°C) топи и прелази у течност. Жива је течна на собним температурама, а у чврстом стању на температурама нижим од –39°C. Агрегатна стања у физици називају се фазе. Нека супстанција, у зависности од спољашњег притиска и температуре, може проћи кроз све три фазе (агрегатна стања). Прелази супстанције из једне у другу фазу називају се фазни прелази.

ТОПЉЕЊЕ И ОЧВРШЋАВАЊЕ Прелазак супстанције из чврстог стања у течност назива се топљење, док је обрнут прелаз, из течног стања у чврсто агрегатно стање очвршћавање. Једну групу чврстих тела чине аморфна тела, а другу групу кристална. Аморфна тела, као што су стакло и смола, не одликују се правилним обликом. Кристална тела одликују се великим степеном уређености молекула. Међутим, загревањем кристалног тела покретљивост његових молекула се повећава и кристална решетка више не пружа довољно велику слободу молекулима за њихово кретање око својих стабилних положаја. Због тога се кидају везе које одржавају кристалну решетку и неки молекули почињу да се удаљавају. Тада чврста супстанција постепено мења своју фазу (агрегатно стање) и све више постаје течност. При нормалном атмосферском притиску прелазак неке супстанције из чврстог стања у течно агрегатно стање дешава се увек на тачно одређеној температури, карактеристичној за дату чврсту супстанцију, која се зове температура или тачка топљења. Дакле, да би кристално тело прешло из чврстог стања у течност, мора се прво загрејати до температуре на којој се тај процес одвија.

ТОП ЛОТНЕ ПОЈАВЕ

99

3. Да би се извршио прелаз из чврсте фазе у течну фазу, потребна је тачно одређена количина топлоте. Док траје топљење и док се делови супстанције налазе у оба агрегатна стања, температура супстанције се не мења и остаје једнака температури топљења. Само се на тачки топљења кристално тело може налазити у оба агрегатна стања (чврстом и течном) истовремено. Количина топлоте, коју треба довести да би се 1 kg неке чврсте супстанције истопио, назива се специфична топлота топљења (λt). Специфичне топлоте топљења, као и температуре топљења неких супстанција дате су у табели 3. Табела 3. – Температуре топљења и специфичне топлоте топљења неких супстанција

Супстанција жива лед алуминијум гвожђе етил алкохол олово

Температура топљења Специфична топлота [ºC] топљења [kЈ/kg] –39 12 0 340 660 390 1.530 290 –115 105 327 25

Дакле, да би се на тачки топљења истопила маса m неке чврсте супстанције чија је специфична топлота λt, потребно јој је довести количину топлоте: Qt = m ∙ λt , која се још назива латентна (скривена) топлота. Обрнут процес, прелазак течне супстанције у чврсту супстан­цију (очвршћавање) дешава се опет на истој температури – тачки топљења. Међутим, да би се догодило очвршћавање, потребно је да се та количина топлоте одузме од течности. Kарактеристичaн пример за све то што је речено је баш вода. На нормалном притиску температура топљења леда (мржњења воде) је 0°C. Да би се 1 kg леда на 0°C истопио, потребно му је довести 340 kЈ топлоте. Та топлота троши се само на промену агрегатног стања, а не утиче на промену темСлика 3.14. – Топљење/очвршћавање воде пературе. Обрнуто, да би се 1 kg воде на 0°C претворио у лед, потребно је из ње одвести исту толику количину топлоте –340 kЈ (слика 3.14). Из реченог јасно произлази да супстанција у чврстој фази има много мању унутрашњу енергију него у течној фази.

100

3.9. ПРИМЕР Колика количина топлоте с топлотног извора је неопходна да би се 10% леденог брега, који плива у северном делу Атлантика, отопило? Ледени kJ

брег има масу 20.000 t а специфична топлота топљења леда је 330 . kg Подаци m = 20.000 t, λt =330 Решење

kJ ; kg

Q=?

Количина топлоте коју би требало уложити да би се отопило 10% леденог брега је Qt = 10% ∙ m ∙ λt = 660 GJ.

ИСПАРАВАЊЕ И КОНДЕНЗАЦИЈА Прелазак супстанције из течног стања у гасовито стање назива се испаравање. Обрнут прелаз је кондензација. а) б) Испаравање се одвија увек са слободне површине која је у контакту са ваздухом (гасом). Течности испаравају на свим температурама, али је на вишим температурама тај процес увек много интензивнији. Приликом испаравања најбржи молекули из површинског слоја одвајају се од слободне површи течности јер само они имају довољно енергије да савладају привлачне међумолекулске силе које владају у Слика 3.15. – Испаравање течности течности (слика 3.15а). „Губитак” брзих молекула утиче на смањење унутрашње енергије течности, због чега се она хлади. У различитим течностима процеси испаравања одвијају се различитом брзином. На пример при истим условима бензин испарава знатно брже него вода. У затвореном суду упоредо са процесом испаравања дешава се и обрнут процес, у ком се пара (гас) враћа у течност – она се кондензује. У равнотежном стању количине течности и гаса су сталне. То значи да постоји равнотежа између процеса испаравања и кондензације. За исто време количина течности која испари једнака је количини гаса који се кондензује. У отвореном суду ситуација је другачија, поготово уколико постоји јако струјање ваздуха изнад течности. Тада знатно више течности испари него што се кондензује (мокар веш се знатно брже суши на ветру). Најизразитије испаравање течности дешава се на температури кључања. Приликом кључања унутар течности се образују мехурови паре (гаса) који излазе на површину (слика 3.15б). Зато се слободна површина течности заталаса. ТОП ЛОТНЕ ПОЈАВЕ

101

3. Испод температуре кључања течност испарава само са слободне површине, у чему учествују само брзи молекули течности. На температури кључања појављује се додатни механизам испаравања – преко мехурова паре, што знатно појачава процес испаравања. Током кључања течност остаје на температури кључања (не повећава јој се температура) све док сва течност не испари. За прелазак 1 kg течности у пару, на температури кључања, потребна је тачно одређена количина топлоте, која је карактеристична за дату супстанцију – специфична топлота испаравања. У табели 4. су дате температуре кључања неких течности (при нормалном ваздушном притиску) и њихове специфичне топлоте испаравања (λi) . Дакле, да би се маса течности m, чија је специфична топлота испаравања λi, превела у гас (пару) на температури кључања, потребно јој је довести количину топлоте: Qi = m ∙ λi . Табела 4. – Температуре кључања и специфичне топлоте испаравања неких супстанција

Супстанција жива лед алуминијум гвожђе етил алкохол олово

Температура кључања Специфична топлота [ºC] испаравања [MЈ/kg] 357 0,34 57 0,52 78 0,85 100 2,24 2.056 8,37 1.740 0,93

Ова топлота (латентна топлота испаравања) троши се опет само на промену агрегатног стања, а не утиче на промену температуре. Уколико се дешава обрнут прелаз – кондензација, иста количина топлоте се на температури кључања одузима од паре. Температура кључања веома зависи од притиска гаса изнад слободне површине течности. Уколико се тај притисак смањи, снижава се и температура кључања јер се процеси испаравања лакше одвијају. На нормалном ваздушном притиску од 1,013 bar температура кључања воде је 100°C. Међутим, на притиску од 0,2 bar температура кључања воде износи само 60°C. Процес у ком супстанција прелази директно из чврстог стања у гасно стање, не пролазећи кроз течну фазу, назива се сублимација, а њему супротан процес је депозиција.

102

3.10. ПРИМЕР Чајник снаге 2 kW остао је укључен још 2 min након што је вода почела да кључа. Израчунати масу воде која је испарила. Специфична топлота MJ испаравања воде је 2,2 . kg Подаци MJ P = 2 kW, t = 2 min, λi = 2,2 ;m=? kg Решење Количина топлоте која се преда води која кључа је Q = P . t. Знајући да је Qi = m ∙ λi, маса воде која је испарила је P⋅ t m= = 0,1 kg.

λi

3.6. ПРЕНОШЕЊЕ ТОПЛОТЕ Топлотна размена може да се оствари на више начина. Посуда на плочи шпорета загрева се јер се у непосредном додиру два тела преноси енергија. Такав начин преношења унутрашње енергије назива се провођење. Ваздух у соби, који је загрејала грејалица, креће се и преноси унутрашњу енергију струјањем. Суд са водом изложен сунчевим зрацима загреје се тако што се енергија са Сунца преноси путем зрачења.

Провођење

Ако металну шипку држимо једним крајем у пламену, убрзо ћемо осетити да се загрејао и део који се налази у нашој руци (слика 3.16). Слика 3.16. – Провођење топлоте

ТОП ЛОТНЕ ПОЈАВЕ

103

3. Посматрајмо следећи оглед. ‒ На стативу је метална шипка на коју су по читавој дужини помоћу воска причвршћени ексери (слика 3.17). Када се слободан крај шипке загрева, восак се топи и ексери постепено отпадају, и то прво они Слика 3.17. – Провођење топлоте ближи пламену, па затим и остали. У овом примеру унутрашња енергија преноси се на следећи начин. Део шипке, који се налази у пламену, има вишу температуру и честице (молекули) тог дела шипке имају већу средњу кинетичку енергију, тј. брже се крећу. Та енергија се међусобним деловањем честица постепено преноси дуж шипке на суседне честице, услед чега расте и температура целом дужином шипке. Тако се унутрашња енергија (топлота) преноси од загрејаног краја ка хладном крају тела. Провођење унутрашње енергије (топлоте) је процес преношења унутрашње енергије са једног места на друго место тела међусобним деловањем честица (молекула, атома), при чему се честице не премештају с једног краја на други крај тела. Различити материјали различито проводе топлоту. Чврста тела су бољи проводници него течности а најлошији проводници топлоте су гасови. Топлоту најбоље проводе метали (посуђе у којем кувамо храну прави се од метала; радијатори су од метала како би најефикасније преузели топлоту од вруће воде која кроз њих пролази). Дрво је много лошији проводник него метал (приликом кувања користимо дрвене кашике, а не металне). Цигла и стакло су такође лоши проводници топлоте (користимо их за градњу кућа јер лети смањују провођење топлоте у унутрашњост куће, а зими спречавају излазак топлоте из куће напоље). Гасови слабо проводе топлоту зато што су у њима велика растојања међу молекулима, ретке су интеракције међу молекулима и размена енергије је минимална. Вакуум уопште не проводи топлоту и најбољи је топлотни изолатор, у њему нема молекула, нити размене енергије.

Струјање Вода и ваздух слабо проводе топлоту. Поставља се питање како се онда вода у суду на шпорету загреје релативно брзо, или како се ваздух у целој соби загреје од једног радијатора? У течностима и гасовима размена топлоте остварује се процесом струјања.

104

Суд са водом, који је на шпорету, узима топлоту од плотне шпорета, а слојеви воде са дна суда загревају се узимајући топлоту од суда. Загрејана вода има мању густину него хладна, па се топла вода креће навише, а хладна вода се из горњих делова посуде креће Слика 3.18. – Размена топлоте струјањем према дну (слика 3.18). Затим се загрева вода која је стигла на дно, а вода из горњег дела се спушта – у суду се стално одвија такво струјање и тако се сва вода загреје. На сличан начин загрева се и ваздух у соби (слика 3.19). Када се укључи радијатор (или грејалица), загрева се ваздух који је у додиру са њим, смањује се густина тог ваздуха, па он одлази навише, а на његово место долази хладнији ваздух из виших делова собе. Такво струјање топлијег ваздуха навише и хладнијег наниже дешава се док се не изједначи температура ваздуха у целој соби. Слика 3.19. – Струјање ваздуха у соби

Струјање (или конвекција) је процес промене унутрашње енергије премештањем делова супстанције са једног места на друго место у једном телу. Потребно је нагласити да се струјањем течности и гасови увек загревају одоздо, а хладе одозго. Није случајност да се радијатори увек постављају што ближе поду. Тако топлији ваздух струји од њега према горњим деловима собе, а хладнији ваздух, који је гушћи, креће се ка радијатору. Исто тако, у посуди са водом, која се греје, загрејани слојеви воде не могу се спуштати наниже, јер су ређи, па ни не могу доћи на место хладнијих слојева, који су гушћи. Процеси струјања (конвекције) у огромним размерама дешавају се у атмосфери у виду ветрова, као последица неравномерне расподеле температуре на површини Земље и у атмосфери. Морске и океанске водене струје такође су примери конвекције у природи.

ТОП ЛОТНЕ ПОЈАВЕ

105

3. Зрачење

Слика 3.20. – Пренос енергије зрачењем

Размена топлоте може се вршити и емитовањем и апсорбовањем топлотног зрачења. Живот на Земљи зависи од енергије која стиже са Сунца. Пошто се огромно пространство између Сунца и Земље може сматрати вакуумом, енергија са Сунца не може се преносити ни топлотним провођењем, ни струјањем. Она се преноси зрачењем. У пренос енергије зрачењем можемо се уверити врло једноставним експериментом: уколико руку поставимо испод неке лампе која светли, осетићемо топлоту (слика 3.20). Топлотна размена између наше руке и лампе не врши се провођењем јер је ваздух врло слаб проводник топлоте. Размена топлоте не врши се ни струјањем јер топли гас иде нагоре, а не према руци. Наиме, лампа емитује топлотно зрачење, а рука га апсорбује. Ако бисмо између руке и лампе поставили лист хартије, топлоту на руци више не бисмо осећали јер би зрачење лампе апсорбовала хартија. Уверите се у то сами.

3.7. ЕФЕКАТ СТАКЛЕНЕ БАШТЕ Сунце је извор живота на Земљи а енергија која стиже са Сунца узрок је свих кретања ваздуха и процеса који се одвијају у атмосфери. Земљина атмосфера је слој гасова који окружује планету Земљу и у том слоју највише има азота и кисеоника, али и неких других гасова, о чему ће бити речи касније. Када сунчево зрачење доспе до површине Земље, она се загрева и након тога израчује енергију назад у свемир. Као последица општег закона одржања енергије, успостављена је равнотежа између енергије која долази на Земљу и оне која се са ње израчи. У бити те равнотеже лежи суштински најважнија ствар за одређивање температуре планете на којој живимо. Ако бисмо замислили Земљу без атмосфере, и ако бисмо, на основу укупне енергије која стигне са Сунца и енергије коју Земља израчи, спровели одређени математички поступак за израчунавање средње температуре Земљине површине, добили бисмо вредност од –18°С. Међутим, ми данас знамо да је средња температура Земљине површине око 15°С. Очигледно постоји неки природни механизам који доприноси томе да наша планета буде топлија за 33°С. Ради се о механизму који се назива ефекат стаклене баште.

106

Ефекат стаклене баште Ефекат стаклене баште је надасве користан природни феномен и механизам који омогућава стабилне температурне услове за живот на Земљи. Да бисмо га разумели, морамо се упознати са саставом атмосфере. Осим азота и кисеоника, у атмосфери су и водоник и племенити гасови. Посебну групу чине такозвани гасови са ефектом стаклене баште: водена пара, угљен-диоксид, метан, азот-субоксид, фреони. Сунчеви зраци, који стижу на површину Земље, загревају њену површину а део те енергије одбија се од површине у виду инфрацрвеног зрачења, које апсорбују молекули гасова са ефектом стаклене баште у атмосфери, па их поново емитују према површини Земље стварајући додатну топлоту. Тај процес аналоган је процесу који се дешава у стакленику (стакленој башти), по чему је и добио назив (слика 3.21).

11 55

22

44

33

66

33

66 та ч

55

11

мо

44

22

ккии ооззооннсс

оо

1. 1. Сунце Сунце 2. 2. UV UV -- зрачење зрачење −− део део сунчеве сунчеве светлости светлости која која продире продире до до Земље Земље 3. 3. Зраци Зраци загревају загревају тло. тло. 4. 4. Топао Топао ваздух ваздух са са тла тла се се диже диже уу висину. висину. 5. 5. Топлота Топлота не не може може проћи проћи кроз кроз стакло/омотач. стакло/омотач. 6. 6. Топао Топао ваздух ваздух загрева загрева цео цео стакленик/целу стакленик/целу планету. планету. Слика 3.21. – Аналогија стакленик – атмосфера Земље

На слици 3.21 приказана је та аналогија, односно приказано је шта се дешава у стакленику а шта у Земљиној атмосфери. У стакленој башти (стакленику) стаклени зидови пропуштају сунчеву светлост, која улази у стакленик и излази из кућишта стакленика, али топлота остаје у башти.

ТОП ЛОТНЕ ПОЈАВЕ

107

3. На исти начин атмосфера делује као Земљин покривач који не дозвољава губитак топлоте. Захваљујући том задржавању инфрацрвеног зрачења, површина Земље се додатно загрева и тиме је омогућен живот на Земљи. Да није тог природног феномена, на Земљи живот не би ни постојао јер би температуре биле исувише ниске. Када настаје проблем? Услед прекомерног испуштања гасова као што су угљен-диоксид, метан, водена пара и др., поремећена је равнотежа механизма и ефекат стаклене баште постаје све интензивнији (слика 3.22).

ва св

етло ст

гасови

Сунч е

е рефл

ксија

Eнергија се враћа у свемир.

апсорбована енергија Слика 3.22. – Гасови у Земљиној атмосфери

Што се више гасова са ефектом стаклене баште концентрише у атмосфери, више топлоте остаје заробљено у молекулима, део инфрацрвеног зрачења не успева да се врати у свемир, већ остаје у атмосфери, што узрокује пораст њене температуре. Дакле, може се закључити да веће концентрације гасова са ефектом стаклене баште (а нарочито је то угљен-диоксид) изазивају задржавање додатне топлоте и пораст глобалних температура. Који су то фактори и извори емисије гасова са ефектом стаклене баште?

108

То су: ◆ производња електричне и топлотне енергије (сагоревање угља, нафте и природног гаса за производњу електричне и топлотне енергије), ◆ пољопривреда (крчење шума, јер дрвеће, биљке и земљиште апсорбују угљен-диоксид из ваздуха, ◆ индустрија (производња робе и сировина, прерада хране и грађевинарство), ◆ превоз (сагоревање нафтних горива, бензина и дизела). Уколико температура на нашој планети настави да расте, може се догодити и да се подигне ниво мора и да се јаве метеоролошке промене. Важан елемент у процесу смањивања емисија гасова и ефекта стаклене баште свакако је прелазак на обновљиву енергију. Oбновљива енергија је она која се добија из природно обновљивих извора (Сунце, вода, ветар, биогорива, енергија плиме и осеке, енергија морских таласа). Биљке су важан равнотежни фактор јер узимају угљен-диоксид и ослобађају кисеоник.

МЕТЕОРОЛОГИЈА. АТМОСФЕРСКИ ПРИТИСАК Наука која проучава Земљину атмосферу и све промене у њој зове се метеорологија (грчка реч метеорон односи се на све појаве на небу). Бави се проучавањем промена временских услова на нашој планети. Како је утицај времена на људе и људске активности бивао с временом све већи, научна дисциплина која се бавила прогнозирањем времена све више се развијала. Главне појаве које се у метеорологији проучавају су: температура ваздуха, количина и врсте падавина, олује, торнада, тропски циклони и тајфуни, облачност, ваздушни притисак, влажност ваздуха, ветар, сунчево зрачење. Земљина атмосфера је ваздушни омотач дебљине око 200 km а притисак који се на Земљи јавља услед тежине ваздуха зове се атмосферски притисак. На ваздух делује сила Земљине теже и због тога се он не удаљава од Земље, иако се непрестано креће. Услед деловања Земљине теже, горњи слојеви ваздуха сабијају доње слојеве ваздуха. Ваздушни слој, који је у непосредном додиру са Земљом, највише је сабијен, па је због тога и најгушћи. Мерења су показала да се густина ваздуха брзо мења са висином и на већим висинама ваздух је веома разређен. У највишим слојевима атмосфера постепено прелази у безваздушни простор. На сваком месту на Земљи догађају се промене атмосферског притиска, па се на основу тога може прогнозирати време у наредном периоду.

ТОП ЛОТНЕ ПОЈАВЕ

109

3. Када је ваздух влажан, притисак опада (водена пара је лакша од ваздуха) и то наговештава кишу или наоблачење. Ако је ваздух сув, притисак расте. То наговештава суво и ведро време (лети топло, а зими хладно). Дакле, свакодневним праћењем промене атмосферског притиска у некој области или месту може се поставити краткорочна прогноза времена. Наиме, мерења су показала да се вредност атмосферског притиска не мења само услед промене висине већ и услед временских прилика. За нормалан атмосферски притисак узет је средњи годишњи притисак на нивоу мора. За изражавање нормалног атмосферског притиска користи се јединица bar [bar]. Норма­лан атмосферски притисак код нас износи око 1,014 bar или 1.014 mbar. Атмосферски притисак мери се инструментима који се зову барометри, постоје живин и метални барометар (слика 3.23).

Слика 3.23. – Барометри

САЖЕТ ПРЕГЛЕД ➢ Молекуларно-кинетичка теорија приказује структуру и својства супстанције полазећи од молекула (атома). Молекул је најмања честица супстанције која има иста хемијска својства као и сама супстанција. ➢ Кристална тела имају уређен распоред саставних честица које образују у простору геометријски правилну кристалну решетку. Молекули се налазе у чворовима кристалне решетке а међумолекулске силе имају правац дужи које повезују чворове. ➢ Деформације тела су промене димензије, запремине и облика чврстих тела које се јављају под утицајем спољашњих сила. То су: истезање, сабијање, увртање, савијање и смицање.

110

4. НИКОЛА ТЕСЛА (1856–1943)

Споменик Николи Тесли у Београду

150

У Смиљану близу Госпића, у породици свештеника Српске православне цркве, 10. јула 1856. године родио се Никола Тесла, највећи српски проналазач, физичар и инжењер светског гласа. Проналазачки дар наследио је од мајке Ђуке, која је своју децу васпитавала у духу народне традиције и херојске прошлости српског народа. Школу је похађао у Карловцу, где су долазиле до изражаја његове изузетне способности за математику и физику. На Политехнички институт у Грацу уписао се 1875. године, да би после кратког времена прешао на студије физике и више математике на Универзитету у Прагу. Након тога Тесла је радио као инежењер у телеграфским и телефонским компанијама (Будимпешта, Марибор). Најплоднији стваралачки период Николе Тесле започиње његовим доласком у Америку 1884. године. Његови патенти и теоријски рад леже у основи свих система наизменичне струје, полифазног преноса електричне енергије, као и мотора на наизменичну струју (вишефазне струје, индукциони мотор, обртно магнетно поље). За многе благодети, које су унапредиле људско живљење на нашој планети заслужан је Никола Тесла: бежични пренос енергије, роботика, радио, разни уређаји за генерисање високофреквентне струје и високонапонске струје, радио­фреквентни осцилатори, логичка кола, направе за икс зраке, громобрани, турбине без лопатица, разне врсте летилица и др. Вероватно да је његов најпознатији проналазак, тзв. Теслин трансформатор, тј. трансформатор у чијем се примарном колу остварује струјна резонанција тако да кроз њега тече врло велика високофреквентна струја. Та струја изазива јако магнетно поље које у секундарном калему индукује веома висок напон (од више милиона волти). Тај проналазак омогућио је да наизменична струја потисне једносмерну струју (нпр. у свакодневној употреби за осветљење, грејање итд.). Човек који је својим стваралачким радом повезао три века (XIX, XX и XXI) и осветлио планету, умро је у Њујорку 7. јануара 1943. године усамљен у својој хотелској соби. На стогодишњицу његовог рођења Међународна електротехничка комисија одлучила је да се јединица за магнетну индукцију назове његовим именом. Тај стандард је усвојен на 11. заседању Генералне конференције за тегове и мере 1960. године. Мали број Теслиних предмета нађених по разним њујоршким магацинима као његова оставштина данас се чува у Музеју Николе Тесле у Београду.

МИХАЈЛО ПУПИН (1854–1935) Михајло Пупин, српски физичар, инжењер електротехнике. Рођен у Идвору, у Банату, где је завршио основну школу, а средњу је учио у Панчеву и Прагу. Михајло Пупин је 1874. године отишао у Америку. Године 1879. уписао је Универзитет Колумбија у Њујорку. Магистарске студије је завршио у Кембриџу, а докторирао у Берлину код чувеног научника Хермана Хелмхолца. Наставничку делатност је започео на Колумбија универзитету. У научном свету постао је познат по својим тзв. калемовима који су знатно унапредили квалитет телефоније и телеграфије на великим даљинама. То су били специјални калемови, касније названи Пупинови калемови. Њихово постављање у каблове (телефонске линије) ради квалитетнијег преноса телефонских разговора, познато је као пупинизација. Помоћу Пупинових калемова домет телефонских разговора увећава се неколико десетина пута. Зато се Пупин сматра једним од утемељивача телекомуникација. Пупин је био међу првим научницима који је проширио сазнања о настајању и природи рендгенских зрака. Истраживао је и њихове интеракције са разним срединама. Имао је и низ запажених радова из електродинамике и термодинамике. Испитивао је и електрично пражњење у цевима са разређеним гасовима. Патентирао је и разне апарате за телеграфске и телефонске преносе, вишеструку телеграфију, телефонију, бежично преношење сигнала и др. Пупин је имао 29 званично признатих патената, а међу њима, као што смо истакли, најзначајнији су Пупинови калеми. Написао је више дела, а за књигу „Од пашњака до научника“ у којој је описао свој живот, добио је Пулицерову награду у Америци.

Споменик Михајлу Пупину у Идвору

Е ЛЕК ТРИЧНЕ И МАГНЕ ТНЕ ПОЈАВЕ

151

УЛТРАЗВУК У МЕДИЦИНИ Ултразвучни таласи су механички лонгитудинални таласи чије се фреквенције налазе у подручју од 20.000 Hz до 109 Hz, и за људско ухо су нечујни. Због веће фреквенције, носе и већу енергију од звучних таласа. Велика енергија их чини много продорнијим од звучних таласа које чујемо. Управо због велике продорности и интеракције с материјалном средином (ткивом), ултразвук је нашао велику примену у свим гранама медицине, највише у дијагностици, али и у терапији и хирургији. Приликом проласка ултразвучних таласа кроз било коју средину, па тако и кроз ткива и органе, њихов интензитет постепено слаби. Та појава назива се атенуација и пропорционална је фреквенцији. Атенуацији највише доприносе апсорпција, дисперзија и рефлексија. Апсорпција зависи од састава и вискозности ткива. На свом путу ултразвук део своје кинетичке енергије претвара у топлотну и тиме се она апсорбује, па зато сноп ултразвука слаби. Дисперзија је сразмерна фреквенцији и представља расипање у свим правцима приликом одбијања од препреке. Да бисмо ултразвуком продрли до дубљих органа, морају се користити ниже фреквенције како би се ублажила дисперзија. Процес рефлексије је основа целокупне ултразвучне методологије. Количина рефлектоване енергије зависи од упадног угла, одбојне површине и других фактора.

СТВАРАЊЕ И ДЕТЕКЦИЈА УЛТРАЗВУКА За добијање ултразвука, најчешће се користи метода под називом инверзни пиезоелектрични ефекат. Пиезоелектрични ефекат је особина појединих кристала да се, услед механичког дејства – притиска, на њиховој површини издваја наелектрисање. У супротном, ако се на површину тих кристала доведе наелектрисање, јављају се механичке деформације кри­стала, а та појава назива се инверзни пиезоелектрични ефекат. Ако се плочица од таквог кристала (слика 5.29) унесе у променљиво елек­ трично поље (веза с наизменичним на­ поном), она ће се наизменично исте­ зати, па затим сабијати. Механичке осцилације плочице преносе се у виду Слика 5.29. – Шематски приказ ултразвучне сонде (апликатора) лонгитудиналних механичких таласа на средину у којој се плочица налази. ОСЦИ ЛАЦИЈЕ И ТА ЛАСИ

189

5. Фреквенције тих таласа прате фреквенцију наизменичног напона и тако настали таласи су ултразвучни таласи. Ултразвучна сонда, у којој се ствара ултразвук, састоји се од генератора и апликатора (слика 5.29). Генератор производи електричне осцилације, које се помоћу пијезоелектричне плочице (кристал) пре­ тварају у ултразвучне таласе. Површина сонде окренута према пацијенту је слободна, док је с друге стране пригушни блок, који апсорбује ултразвук. Све се то налази у металном кућишту облика цилиндра.

ПРИМЕНА УЛТРАЗВУКА У ДИЈАГНОСТИЦИ У ултразвучној дијагностици користе се две основне технике: 1. трансмисиона техника, која се базира на различитом слабљењу ултразвучног снопа при проласку кроз различите средине, 2. рефлексиона (ехо) техника, када се подаци о испитиваном материјалу (средини) добијају анализом рефлектованог ултразвучног снопа. Ова дијагностика представља ве­ ома распрострањену и модерну дијагностичку процедуру, која на потпуно безболан начин омогућава дијагностиковање различитих обољења. Примењује се у кардиологији, гастроентерологији, урологији, ендо­кри­нологији, гинекологији, онко­ логији, реуматологији, ортопедији и другим областима медицине (слика 5.30).

Слика 5.30. – Апарат за ултразвук

190

ДЕЈСТВО ЗРАЧЕЊА СУНЦА НА ЉУДСКИ ОРГАНИЗАМ У спектру Сунчевог зрачења који стиже на Земљину површину, релативно мали део припада видљивом делу спектра. Највећи део представља инфрацрвено зрачење, а знатно мањи део ултраљубичасто зрачење. Видљиви део спектра је онај који изазива осећај виђења у нашем оку. Светлост има и неке друге особине захваљујући којима налази примену у медицини (флуоресценција и фосфоресценција, ласерска светлост, тотална рефлексија и ендоскопија, дисперзија светлости). Ту је и трансилуминација – трансмисија светлости кроз ткива тела. Видљива светлост има и важну терапеутску примену. Светлост селективно апсорбују неки молекули који улазе у састав људског организма, па светлост тако има одговарајући физиолошки ефекат. Најпознатија метода примене светлости у медицини јесте хелио­ терапија – излагање целог организма благотворном дејству сунчеве светлости. У лечењу превремено рођених беба од физиолошке жутице користи се и најбоље ефекте даје плава светлост (λ = 450 nm). Ултраљубичасто зрачење (UV зрачење) обухвата област таласних дужина од 400 nm до 100 nm. Природни извор тих таласа је Сунце, али се могу и вештачки добити. Усијана тела при високим температурама емитују зрачење богато UV зрацима. Као извор се користи електрично пражњење кроз разређене гасове (живина кварцна лампа). За добијање UV зрака, користе се и ксенонске лампе, које у простору пражњења развијају високу температуру. Медицинска примена UV зрачења зависи од њихове таласне дужине, па се тако, према биолошком учинку, деле у три групе (слика 5.31): – UV А (390 nm – 315 nm), – UV В (315 nm – 280 nm) – UV С (280 nm – 200 nm). Највећи део ултраљубичастог зрачења који допире до површине Земље јесте UV А зрачење – више од 98%. UV А зрачење пробија озонски омотач. UV B зрачење допире до Земље у количини од 2%, док UV C зрачење бива потпуно апсорбовано изнад површине Земље. За апсорпцију UV зрачења одговоран је озонски омотач, који апсорбује UV зрачење. Што озона има више у атмосфери, то мање количине UV зрачења стижу до Земљине површине. UV зраци из С области користе се за дезинфекцију операционих сала и инфективних клиника због бактерицидног дејства које поседују. У дијагностици се UV зрачење користи посредно због своје особине да изазива флуоресценцију. Важна је примена у UV микроскопији.

Слика 5.31. – UV зраци

ОСЦИ ЛАЦИЈЕ И ТА ЛАСИ

191

5. У терапији се највише користи хемијско дејство UV зрачења, при ком се ствара витамин D. UV зрачење са Сунца делује на меланин стварајући пигменте, али може изазвати и опекотине штетне по кожу и организам уопште (то су таласне дужине око 300 nm). Дејство тог зрачења је у летњим месецима много интензивније зато што количина зрачења које стигне на Земљу зависи од дужине пута кроз омотач Земљине атмосфере. На географској ширини од 45° зими је угао под којим долази зрачење са Сунца оштрији, па су компоненте зрачења које изазивају опекотине (~ 300 nm) апсорбоване у атмосфери. Зато je важно заштитити се лети од UV зрачења. Количина и интензитет UV зрачења зависе од позиције Сунца, која, опет, зависи од: доба године и дана; географске дужине и ширине – што је Сунце више, зрачење је јаче, а најјаче је у доба соларног поднева и лети; временских прилика – облаци и магла апсорбују и распршују UV зрачење, те смањују његов интензитет; рељефа – различите површине у природи различито рефлектују UV зраке (трава, блато и вода мање од 10%, снег – 80%, песак 10–25%); надморске висине – што је надморска висина већа, зрачење је јаче; стања озонског омотача – места на којима је озонски омотач оштећен пропуштају и јаче UV зрачење од нормалног. Излагање великој количини и јачини UV зрака може резултирати краткотрајним и дуготрајним нежељеним последицама по кожу и очи. UV зрачење мери се спектрофотометром, а изражава UV индексом: UV индекс је мера јачине UV зрачења на површини Земље у односу на последице које изазива на кожи човека. Последице на кожи човека изражавају се скалом спектра еритемалне реакције (реакција коже у виду црвенила). Спектар еритемалне реакције је одговор коже у виду еритема (црвенила) на ултраљубичасто зрачење различитих таласних дужина. Скалу спектра еритемалне реакције усвојила је Међународна комисија за илуминацију и изражава просечни одговор коже на UV зрачење одређене таласне дужине. Мерење UV зрачења и израчунавање и прогноза UV индекса раде се по стандардној методологији светске метеоролошке организације и свакодневни су део посла хидрометеоролошких служби (табела 9). Што су вредTабела 9. – Подела UV зрачења према интензитету (UV индекс) ности UV индекса UV индекс Ниво зрачења веће, веће је и ште0–2 низак ниво тно дејство UV зра3–5 средњи ниво чења на кожу и очи. 6–7 високи ниво 8–10 >10

192

врло високи ниво екстремно високи ниво

ПРИМЕНА ОПТИЧКИХ НИТИ Посебно важна примена оптичких нити јесте у медицинској ендо­ скопији. Ендоскопија је дијагностичка и терапијска процедура која обухвата посматрање унутрашњости човековог организма помоћу ендоскопског апарата. Ендоскопи су уређаји који служе за посматрање унутрашњих органа људског тела. У зависности од врсте органа који се испитује (посматра), ендоскопи могу да буду: гастроскопи, за посматрање унутрашњости желуца, колоноскопи, за посматрање унутрашњости црева и бронхоскоп, за посматрање душника и бронха. Ендоскоп, инструмент с оптичким влакнима, дуг је око 1,2 m и широк од 9 до 12,5 mm. Оптичка влакна попут огледала омогућавају пренос слике до ока лекара. Унутар инструмента налази се неколико пролаза у које се могу ставити помоћни инструменти као што су клешта, петље, четкица за цитологију, ласер и сисаљка. Ваздух и вода се такође могу спроводити кроз инструмент, чиме се омогућава чишћење слузнице и њен бољи приказ. На глави или ручки ендоскопа налазе се два контролна уређаја, којима се управља врхом инструмента: горе-доле и лево-десно. Глава ендоскопа повезана је с посебним извором светлости. Додатна опрема омогућава другом оператеру да посматра ток операције, ултразвучну сонду и уређаје за фотографско и видео-снимање.

Слика ендоскопа и илустрација ендоскопије

Примена оптичких нити у телекомуникацијама изазвала је технолошку револуцију јер је омогућила веома ефикасан, квалитетан и економичан пренос информација – гласа, видео-записа и дигиталних података. Једном оптичком нити, танком попут власи косе, могу да се преносе десетине хиљада гласова. Стакленим (пластичним) нитима светлосни сигнали могу се преносити на удаљеност до неколико стотина километара. Оптичко влакно може да пренесе сто милиона пута више информација од обичног телефонског кабла. ОСЦИ ЛАЦИЈЕ И ТА ЛАСИ

207

6. 6.7. СУНЧЕВ СИСТЕМ Сунчев систем је скуп васионских тела која се под деловањем гравитације Сунца крећу око њега по веома стабилним путањама. Осим осам планета (Меркур, Венера, Земља, Марс, Јупитер, Сатурн, Уран и Нептун), у Сунчевом систему налазе се и тридесет два сателита планета, око две хиљаде до данас идентификованих астероида (малих планета, које се још називају и планетоиди), мноштво комета, малих метеорских тела и разни облици космичке прашине и гаса, укључујући ту и одговарајуће космичко зрачење. Распоред планета у односу на Сунце и њихова удаљеност од Сунца дати су на сликама 6.35а и б.

Слика 6.35а. – Сунчев систем

Сунце је једина звезда Сунчевог система, звезда најближа Земљи. Средња удаљеност Сунца од Земље износи око 1,5 ∙ 1011 m. Оно је савршена сфера сачињена од плазме, коју чине махом језгра атома водоника (протона, око 70%) и хелијума (око 30%), као и веома малог дела свих осталих језгара атома тежих елемената (заједно око 1%). Подаци о саставу Сунца добијени су на основу спектралне анализе. То је типичан садржај и већине звезда. У сфери Сунца, нарочито у његовом средишњем делу, одвијају се термонуклеарне реакције – фузија језгра водоника у језгра хелијума, а ових у језгра литијума итд. Тим реакцијама ослобађа се огромна енергија, коју Сунце емитује у космички простор у облику електромагнетног и космичког зрачења. Само мали део тог зрачења доспева на Земљу, али је и то довољно за обезбеђивање топлотне енергије, светлости и живота на Земљи.

260

Слика 6.35б. – Планете Сунчевог система

Теоријски процењено време „живота” Сунца у садашњој фази његове еволуције износи око десет милијарди година. Следећих неколико милијарди година не треба очекивати никакве забрињавајуће промене на Сунцу. Мисли се пре свега на емисију електромагнетног зрачења које доспева на Земљу. Следећи највећи објекти Сунчевог система су планете. Оне око Сунца орбитирају све у истом смеру (у смеру ротације Сунца) по путањама приближним кружницама, које леже у равнима сличним равни Земљине путање – елиптике. Изузетак је Меркурова путања, чији ексцентритет и нагиб равни одређене његовом орбитом нешто више одступају у односу на орбиту Земље и осталих планета. По физичким својствима планете се деле на планете Земљиног типа: Меркур, Венера, Земља и Марс и планете Јупитеровог типа: Јупитер, Сатурн, Уран и Нептун. Далеки Плутон је дефинитивно класификован у групу патуљастих планета. Промена статуса Плутона, некадашње девете планете Сунчевог система, извршена је у августу 2006. године на Међународном скупу астронома у Прагу. Планете прве групе имају релативно малу масу и велику густину, ретку атмосферу, мали број сателита или су без сателита. Планете друге групе имају велику масу и густу атмосферу, малу густину и бројне сателите. Та два типа планета имају и различити хемијски састав – велике планете веома су богате лаким гасовитим елементима, водоником и хелијумом, којих у саставу мањих планета има релативно мало. Не постоје услови за термонуклеарне реакције на свим планетама.

САВРЕМЕНА ФИЗИКА

261