Всеобщие методы (стр. 3 )

Однако уже в то время когда принцип не убывания энтропии во Вселенной считался абсолютно универсальным, были известны системы противоречащие ему. Степень их упорядоченности, со временем не убывала, а возрастала. К ним относились, прежде всего, живые организмы и их сообщества. Стало очевидно, что для сохранения целостной не противоречивой картины мира нужно признать, что в природе действует не только разрушительный, но и созидательный принцип. Что материя способна самоорганизовываться и самоусложняться. На волне этих проблем возникла синергетика – теория самоорганизации. В настоящее время она развивается по нескольким направлениям: синергетика (Г. Хакен), неравновесная термодинамика (И. Пригожин) и др. Синергетика утверждает:

1. процессы разрушения и созидания во Вселенной по меньшей мере равноправны.

2. процессы самопроизвольного нарастания уровня сложности имею единый механизм.

Таким образом, синергетика ставит перед собой задачу выявление некого универсального механизма, с помощью которого осуществляется самоорганизация как в живой, так и в неживой природе. Под самоорганизацией при этом понимается спонтанный переход открытой неравновесной системы от менее к более сложным и упорядоченным формам организации.

Система должна быть:

1. открытыми - обмениваться веществом или энергией с внешней средой;

2. находится в состоянии далекого от равновесия.

Синергетики выделяют две фазы:

1. плавная эволюция

2. фаза скачка в точке бифуркации.

Особенно важно учесть, что переход системы в новое устойчивое состояние неоднозначен. Система достигшая, критического состояния находится как бы на развилке, оба варианта в момент выбора являются одинаково возможными. Но как только выбор сделан, и система достигла нового состояния равновесия, обратного пути нет, развитие систем такого рода всегда необратимо и непредсказуемо.

Синергетическая интерпретация явлений открывает новые возможности их изучения.

В обобщенном виде новизна синергетического подхода состоит в следующем:

1. хаос не только разрушителен, но и созидателен, развитие осуществляется, через неустойчивость (хаотичность). Порядок возникает из хаоса.

2. линейный характер эволюции сложных систем, не правило, а частный случай, развитие большинства систем носит нелинейный характер, для сложных систем всегда существует несколько возможных путей развития.

3. Развитие осуществляется через случайный выбор одной из нескольких возможностей дальнейшей эволюции, следовательно, случайность - необходимый элемент эволюции.

Синергетика возникла на базе физических дисциплин – термодинамики, радиофизики и пр. Но в настоящее время ее идеи уже имеют междисциплинарный характер, они подводят базу под глобальный эволюционный синтез, осуществляющийся в науке.

24. Каковы причины введения Ньютоном понятий абсолютного пространства и абсолютного времени. Приведите их определения.

Пространство — это совокупность отношений, выражающих взаимное расположение материальных объектов – расстояния между ними и ориентацию.

Время — это совокупность отношений, выражающих длительность и последовательность событий.

Тем самым пространство — это пространственные отношения между материальными объектами, а время — это временные отношения событий друг к другу.

Наиболее общее свойство пространства и времени — их взаимозависимость. Говорить о пространстве без материальных объектов и о времени без каких-либо процессов не имеет никакого смысла. Не существует пространственных и временных отношений по отдельности – любой процесс в природе происходит в некоторой области пространства, а любой материальный объект как-то меняется со временем. Поэтому имеет смысл говорить лишь о единых пространственно-временных отношениях между событиями. Однако для первого знакомства с их свойствами рассмотрим сначала временные отношения в данной точке пространстве и пространственные отношения в данный момент времени порознь. Такое условное разделение допустимо, пока рассматриваемые нами объекты движутся медленно.

Ньютон, раскрывая сущность времени и пространства, характеризует их как «вместилища самих себя и всего существующего. Во времени все располагается в смысле порядка последовательности, в пространстве – в смысле порядка положения».

Классическая механика была изложена Ньютоном в книге «Математические начала натуральной философии». Ньютоновская концепция пространства и времени, на основе которой строилась физическая картина мира, оказалась господствующей вплоть до конца 19 века.

Основные положения этой картины мира заключаются в следующем.

- Пространство считалось:

§ бесконечным,

§ плоским или евклидовым (его метрические свойства описывались геометрией Евклида).

§ пустым,

§ абсолютным (не зависящим от состояния движения тела отсчета),

§ однородным (нет выделенных точек),

§ изотропным (нет выделенных направлений).

Пространство выступало как «вместилище» материальных тел.

- Время понималось:

§ однородным,

§ равномерно текущим (оно идет сразу и везде во всей Вселенной «единообразно и синхронно» и выступает как независимый от материальных объектов процесс длительности),

§ абсолютным (не зависящим от состояния движения тела отсчета).

26. Какие виды механической энергии Вам известны.

Состояние системы определяется ее движением и конфигурацией, т. е. взаимным расположением ее частей. Движение системы характеризуется кинетической энергией K, а конфигурация (нахождение тела в потенциальном поле сил) – потенциальной энергией U.

Полная энергия определяется как сумма:

E = K + U + Eвнутр,

где Eвнутр – внутренняя энергия тела.

Кинетическая и потенциальная энергии в сумме составляют механическую энергию.

Формула Эйнштейна (взаимосвязь энергии и массы):

Е = m. c2.

В системе отсчета, связанной с центром масс системы м. т., m = m0 – масса покоя, а Е = Е0 = m0.c2 – энергия покоя.

Внутренняя энергия определяется в системе отсчета, связанной с самим телом, то есть внутренняя энергия является одновременно и энергией покоя.

Кинетическая энергия – это энергия механического движения тела или системы тел. Релятивистская кинетическая энергия определяется по формуле

.

При малых скоростях v<<c или b << 1

.

Потенциальная энергия – скалярная физическая величина, характеризующая взаимодействие тел с другими телами или с полями.

Примеры:

- потенциальная энергия упругого взаимодействия

;

- потенциальная энергия гравитационного взаимодействия точечных масс

;

Закон сохранения энергии: полная энергия замкнутой системы материальных точек сохраняется

.

При отсутствии диссипации (рассеяния) энергии сохраняются и полная и механическая энергии. В диссипативных системах полная энергия сохраняется, а механическая энергия не сохраняется.

27. Как объяснил Майер различие между величинами удельной теплоемкости

Применяя установленные положения к тепловым и объемным отношениям разных газов, найдем, что опускание сжимающего газ столба ртути равно развиваемому в результате сжатия количеству тепла, и отсюда получается,- если положить отношение коэффициентов теплоемкости атмосферного воздуха при постоянном давлении и при постоянном объеме равным 1,421,- что опусканию единицы веса с высоты около 365 м соответствует нагревание равного веса воды от 0 до 1°. Если с этим результатом сравнить полезное действие наших лучших паровых машин, то увидим, что лишь очень малая часть разводимого под котлом тепла действительно превращается в движение или поднятие груза, и это могло бы служить оправданием для попыток представить себе выгодный путь получения движения иным способом, чем посредством использования химической разности между С и О, а именно - посредством превращения в движение электричества, полученного химическим путем.

28. Что является нагревателем, а что холодильником в ракетном двигателе

Т. к. имеется разность температур, то будет, то будет разность между давлениями, т. к. давление зависит от температуры. Разность давлений - это главное условие совершения работы. Эти слова относятся к тепловому двигателю. Карно доказал, что работа теплового двигателя (КПД) зависит от температуры холодильника и нагревателя. "Повсюду, где имеется разность температур, может происходить возникновение движущей силы..." С. Карно. Никола Леонард. Сади Карно, выдающийся французский учёный и инженер, работал над теорией тепловых машин. Он первый поставил вопрос о процессе превращения теплоты в работу. И хотя Карно ещё считал теплоту особой "материей", он сумел выяснить некоторые законы этого превращения. Свои исследования Сади изложил в сочинении "Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу", вышедшем в 1824 году. В книге он писал: " Всюду где существует разность температур, всюду, где возможно восстановление равновесия теплорода, возможно получение движущей силы…Все тела природы способны к изменению объёма, все способны при изменении своего объёма побеждать некоторые сопротивления и, таким образом, развивать движущую силу…Очевидно следующее: повсюду, где имеется разность температур, может происходить

Порядок развития работ пастора Стирлинга о последовательном улучшении работы регенератора теплоты в двигателе Стирлинга (и не только), с целью полного отказа от необходимости иметь естественный холодильник, т. е. среду с температурой ниже температуры нагревателя теплового двигателя внешнего нагрева.

1. КПД =(T1 - T2)/T1 где T1 - температура нагревателя, а T2 - температура холодильника.

2. КПДмах =(T1 - T2)/T1 где T1 - температура нагревателя, а T2 - температура, КПДмах =62%

29. Напишите формулу Планка и объясните ее физический смысл.

В 1900 г. немецкий физик М. Планк своими исследования­ми продемонстрировал, что излучение энергии происходит дискретно, определенными порциями — квантами, энергия ко­торых зависит от частоты световой волны. Планка не нуждалась в концепции эфира и преодолевала противоречия и трудности электродинамики Дж. Максвелла (2.3). Эксперимен­ты М. Планка привели к признанию двойственного характера света, который обладает одновременно корпускулярными и вол­новыми свойствами. Понятно, что такой вывод был несовмес­тим с представлениями классической физики. Планка положила начало новой квантовой физики, которая описывает процессы, протекающие в микромире.

При переходе электрона из одного состояния в другое, испускается фотон, частота которого определяется формулой v=E1-Ek/h

30. Какие экспериментальные эффекты являются экспериментальным подтверждением гипотезы Планка

Решение проблемы излучения черного тела, предложенное М. Планком в 1900 году, не укладывалось в рамки здравого смысла позитивистской науки. Планк предположил, что электромагнитная волна испускается порциями, которые получили названия квантов. Но такая дискретность означает, что волна имеет свойство частиц, корпускул. Энергия же одной такой частицы определяется частотой волны, другими словами, ее длиной, и равна произведению частоты на новую мировую константу (постоянную Планка h), которая хоть и очень мала (h = 6,62*1034 Дж*с), но все же конечна. Как это понять? Выполнив соответствующий расчет, Планк получил распределение энергий волн, излучаемых черным телом, в точности совпадающее с экспериментом. А. Эйнштейн применил странную идею Планка к объяснению явления фотоэффекта, и все стало на место: для выбивания электронов из материала электрода, которое и приводит к возникновению тока, нужны частицы с большой энергией, то есть свет с малой длиной волны. Интенсивность света соответствует количеству налетающих частиц, но не характеризует сами частицы. Поэтому интенсивный свет, но с большой длиной волны (соответственно - с малой частотой), к эффекту привести не может. Ну и световое давление - это просто бомбардировка частицами, причем величина давления зависит от энергии частиц (то есть от длины волны) в точном соответствии с теорией Планка. (Интересно отметить, что идея дискретности, прерывности, счетности в генетике утвердилась в том же 1900 году). Другое название электромагнитных квантов - фотоны, мы встречали его в предыдущих главах. Странен фотон... Это такой объект, такая концепция, такой продукт решения математических уравнений, зрительно представить который невозможно (увидеть-то поток фотонов можно): некоторые его свойства - такие же, как у волны, некоторые - такие же, как у частицы.

31. В чем состоит гипотеза де Бройля. Чему равна длина волны де Бройля.

В 1923 году выпускник Сорбонны французский физик принц Луи де Бройль высказал предположение (гипотезу) о том, что корпускулярно – волновой дуализм присущ не только свету, но и частицам вещества. Он рассуждал следующим образом. Кванты света с длиной волны имеют импульс , величина которого определяется по формуле:

.

Любой частице вещества, имеющей импульс , можно поставить в соответствие волну, длина волны которой определяется соотношением:

.

Соотношение де Бройля недолго оставалось гипотезой. Де Бройль предсказывал, что волны вещества можно будет обнаружить при изучении дифракции пучка частиц вещества на кристаллической структуре естественных кристаллов.

Оценим порядок длин волн, соответствующих нескольким частицам вещества.

1. электрон, движущийся со скоростью 1000000 м/с=106 м/с

м;

2. пылинка массой 1 мг=10-6 кг, движущаяся с скоростью 1 м/с

м.

Структур, соизмеримых с длиной волны пылинки нет, а для наблюдения дифракции быстрых электронов вполне подходит кристаллической структуре естественных кристаллов.

32. Что доказывает теорема Нетер

Среди всех интегралов движения особое значение имеют аддитивные или асимптотически аддитивные интегралы движения, для которых существует специальное название – законы сохранения. Если рассмотреть две системы, находящиеся очень далеко друг от друга, то физически очевидно, что процессы в одной системе совсем никак не должны влиять на движение другой. Поскольку, с другой стороны ничто не мешает нам рассматривать две такие системы как две части, I и II, единой общей системы, то мы приходим к условию асимптотической аддитивности, который заключается в следующем: если некоторая система (I + II) разделяется на две подсистемы таким образом, что минимум расстояния между материальными точками разных подсистем , то ее функция Лагранжа распадается на сумму функций Лагранжа обеих подсистем:

. (1)

Законы сохранения имеют глубокое происхождение, связанное с инвариантностью описания механической системы относительно некоторой группы преобразований времени и координат. Существует теорема Нётер, утверждающая, что для системы дифференциальных уравнений, которые могут быть получены как уравнения Эйлера из некоторого вариационного принципа, из инвариантности вариационного функционала относительно однопараметрической непрерывной группы преобразований следует существование одного закона сохранения. Если группа содержит l параметров, то из инвариантности функционала будет следовать существование l законов сохранения.

Наличие входящих в требуемую теоремой Нётер группу преобразований симметрии зависит от природы физической системы. Для рассматриваемых замкнутых систем действие должно быть инвариантным относительно семипараметрической группы преобразований – зависящего от одного сдвига по времени, зависящих от трех параметров пространственных сдвигов и зависящих от трех параметров вращения пространства. В соответствии с этим у всякой замкнутой системы должны существовать 7 сохраняющихся величин, отвечающих указанным преобразованиям. Если система такова, что она допускает еще и другие преобразования симметрии, то сохраняющихся величин может оказаться больше.

Другими словами, из инвариантности действия получаем то следствие, что, величина остается постоянной во времени. Это и есть точное утверждение теоремы Нётер.

33. Место и роль химии в системе «природа-человек»

Химия испытывает на себе влияние физики, пожалуй сильнее, чем любая другая наука. На заре своего развития она играла важную роль в становлении физики. Эти науки взаимодействовали очень сильно, они были практически неразделимы. Теория атомного строения вещества получила основательное подтверждение именно в химических опытах. Под теорией неорганической химии подвел черту (), создав свою периодическую систему химических элементов. Эта система выявила немало удивительных связей между различными элементами. Она предсказала существование многих тогда еще неизвестных химических элементов. Однако, объяснение системы Менделеева возможно только с опорой на теорию строения атома, т. е. на физическую теорию. В настоящее время в неорганической химии остались два раздела: физическая химия и квантовая химия. Сами названия этих разделов говорят о тесной связи с физикой.

Другая ветвь химии - органическая химия, химия веществ, связанных с жизненными процессами. Одно время предполагали, что органические вещества столь сложны, что их нельзя синтезировать. Однако, развитие физики и неорганической химии изменило ситуацию. В настоящее время научились синтезировать сложные органические соединения, необходимые в жизненных процессах. Главной задачей органической химии является анализ и синтез веществ, образующихся в биологических системах, живых организмах. Отсюда вытекает тесная связь химии и физики с другим разделом естествознания, с биологией.

34. Структура химии как науки практической деятельности человека

В начале XIX в. ученые начинают использовать понятие «мо­лекулы». Молекула — это устойчивая совокупность атомов, способная к самостоятельному существованию. Научная революция в химии связана с именем другого рус­ского ученого , который в 1869 г. предложил периодическую систему химических элементов. Периодичес­кая система, оформленная в виде таблицы, упорядочивала все многообразие известных к тому времени химических элемен­тов и позволяла предсказывать новые. распо­ложил все элементы в соответствии с возрастанием их атомно­го веса и показал, что таким образом складывается четкая система. Периодическая система стала той объединяющей концепцией, которая позволила не только систематизировать, но и объяснить весь накопленный к концу XIX в. эмпирический материал, и стала прочной основой ее временной теоретической химии.

Развитие химии в XX в. шло по линии возрастания диффе­ренцированное внутри комплекса химического знания. Этот процесс привел к разделению на неорганическую и органичес­кую химию и созданию аналитической и физической химии: возникновению целого ряда междисциплинарных исследований, которые со временем обрели самостоятельный научный статус (космохимия, геохимия, агрохимия, биохимия и др.).

35. Законы химии

Закон Авогадро: Одинаковые объемы различных газов при одинаковых условиях (температуре или давлении) содержат одинаковое количество молекул. Таким образом, Авогадро указал, что противоречие между законом объемных отношений Гей-Люссака и учением Дальтона легко устраняется, если ввести представление о молекуле и атоме как о различных формах материи. Закон Гей-Люссака есть закон о числе молекул, а не атомов, находящихся в объеме газа. Из закона Авогадро вытекает важное следствие: при одинаковых условиях 1 моль газа занимает одинаковый объем. Этот объем легко вычислить, если известна масса 1л газа.

По закону Авогадро массы m1 и m2 л каждого из двух разных газов равняются произведению молярной массы М1 и М2 на число - постоянная (число) Авогадро: число частиц (атомов, молекул или ионов) в моле вещества.

Отношение массы определенного объема одного газа к массе такого же другого газа, взятого при тех же условиях (объем, температура, давление), называется полностью первого газа по второму

Закон Бойля-Мариотта: При постоянной температуре объем количества газа обратно пропорционально давлению, под которым он находится.

Закон Гей-Люссака: При постоянном давлении изменение объема прямо пропорционально температуре.

Закон объемных отношений

Первые количественные исследования реакций между газами принадлежат французскому ученому -Люссаку (). Гей-Люссак, изучая взаимодействие газообразных веществ, вывел закон простых объемных отношений: При одинаковых условиях (при неизменной температуре и давлении) объемы газов, вступивших, в реакцию, относятся друг к другу, а также объемам газообразных продуктов, как небольшие целые числа.

Одним из первых признал закон кратных отношений Гей-Люссака шведский химик (), предположивший, что основное свойство газов заключается в том, что равные объемы газов при одинаковых условиях содержат одинаковое число атомов.

Закономерность, установленную Гей-Люссаком, невозможно было объяснить, руководствуясь учением Дальтона о том, что простые вещества состоят из атомов. В самом деле, если в равных объемах газов, например водорода и хлора, содержится одинаковое число атомов, то при их взаимодействии должен получиться один объем хлористого водорода, а не два, как показывал опыт.

Закон Гей-Люссака был объяснен итальянским физиком А. Авогадро ().

Закон действующих масс. Скорость химической реакции пропорционально концентрации регулирующих веществ. Концентрация твердого вещества в процессе химического превращения не меняется), процесс идет на поверхности), поэтому скорость в реакциях с участием твердого тела определяется только концентрацией газов или растворенных веществ.

В сложных (многостадийных реакциях) скорость всего процесса зависит от скорости наиболее медленной реакции.

Зависимость скорости реакции

Согласно правилу Фант-Гоффа, при повышении температуры на каждые 10°С скорость большинства реакций увеличивается в 2-4 раза. Число, показывающее, во сколько раз увеличивается скорость данной реакции при повышении температуры на 10°С, называется температурным коэффициентом реакции. Это правило является приближенным.

В 1889г. шведский ученый С. Аррениус предложил уравнение зависимости константы скорости реакции от температуры.

Реакционно-способными являются не все молекулы, а только активные, энергия которых в момент контакта составляет величину не меньшую Ea. В результате сообщения неактивным частицам вещества необходимой дополнительной энергии они превращаются в активные. Такой процесс носит название активации.

Пьер Кюри в 1895г. показал, что парамагнитная восприимчивость сильно зависит от температуры и для многих веществ обратно пропорциональна абсолютной температуре. Уравнение, выражающее эту зависимость, называют законом Кюри, а входящую в него величину называют мольной константой Кюри; D выражает диамагнитный вклад (он обычно отрицателен). Первый член этого уравнения можно рассчитать на основе принципа Больцмана при допущении, что данное вещество содержит постоянные магнитные дипольные моменты, способные ориентироваться в магнитном поле. Такой теоретический расчет был выполнен французским ученым Полем Ланжевеном в 1905г.

Закон постоянства состава был впервые сформулирован французским ученым Ж. Прустом в 1808г.

Современная формулировка закона такова: Всякое чистое вещество независимо от способа его получения имеет постоянный качественный и количественный состав.

Закон постоянства состава вещества вытекает из атомно-молекулярного учения. Вещества с молекулярной структурой состоят из одинаковых молекул, потому и состав таких веществ постоянен. При образовании из двух элементов нескольких соединений атомы этих элементов соединяются друг с другом в молекулы различного, но определенного состава. Например, азот с кислородом образует шесть соединений.