Навигация
Принципы возрастания энергии. Элементы квантовой физики. Энергия, энтропия. I и II начала термодинамики
42356
знаков
0
таблиц
0
изображений
4. Принципы возрастания энергии. Элементы квантовой физики. Энергия, энтропия. I и II начала термодинамики
В XIX веке появилось понятие «энергия» – единая мера различных форм движения материи. Всеми явлениями природы управляет закон сохранения и превращения энергии: энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает бесследно: количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую. Этот универсальный закон называется первым началом термодинамики.
Характер протекания процессов в природе устанавливается вторым началом термодинамики, согласно которому: в природе возможны процессы, протекающие только в одном направлении – в направлении передачи тепла только от более горячих тел к менее горячим. В термодинамике различается 2 типа процессов: обратимые и необратимые. Обратимым называется процесс, который может идти в прямом и обратном направлении. При этом система возвращается в исходное положение без изменений. Любые другие процессы являются необратимыми (например: диффузия, теплообмен).
Для характеристики обратимых и необратимых процессов было введено понятие «энтропия», с греческого энтропия – поворот, превращение.
Энтропия системы определяется ее начальным и конечным состоянием. В обратимых процессах энтропия изолированной системы постоянна, а при необратимых возрастает ∆ S>0 и стремится к максимальной величине.
Возрастание энтропии было признано самопроизвольной эволюцией системы, в которой система забывает начальные условия и переходит в состояние хаоса. При максимальной энтропии возникает состояние равновесия и наступает полный хаос. Возрастание энтропии, т.е. эволюция системы, или переход от настоящего к будущему – это направление, которое называют «стрела времени». Состояние равновесия или хаоса – считается более вероятным для изолированной системы.
Гипотеза тепловой смерти Вселенной
Этот принцип, распространенный на крупномасштабные процессы, протекающие во Вселенной, привел к гипотезе о тепловой смерти Вселенной. Если все физические процессы протекают в направлении передачи тепла от более горячих тел к менее горячим, это означает что во Вселенной идет выравнивание температуры, что означает тепловую смерть Вселенной и переход в состояние симметрии или полного хаоса. В данном случае Вселенная рассматривается как замкнутая система.
По мнению других Вселенная не должна рассматриваться как замкнутая система. Это система, находится в переменном гравитационном поле, и применение закона возрастания энтропии не приводит к выводу о необходимости статического равновесия сил.
Теория поля и вакуума
В 1927 году английский физик Поль Дирак составил уравнение, которое описывало движение электрона с учетом законов квантовой механики и теории относительности Эйнштейна и получил формулу с двумя решениями: электрон с положительной энергией и электрон-двойник с отрицательной энергией. Так возникло представление о частицах и античастицах, мирах и антимирах.
Обнаружение античастиц углубило представление об электромагнитном поле, его дискретности (прерывистости). Считалось, что электромагнитного поля нет, если нет квантов поля – фотонов, и значит, в этой области пространства должна быть пустота, или вакуум.
Открытие античастиц привело к открытию виртуальных частиц, которые то возникают то исчезают, изменяя заряд электрона (без этих частиц заряд электрона равнялся бы бесконечности). Вакуум наполнился виртуальными Гейзенберга античастицами. Такое представление о вакууме привело к открытию принципа неопределенности Гейзенберга, согласно этому принципу квантовые эффекты могут на время нарушать закон сохранения энергии. В течение этого времени энергия, взятая как бы «взаймы», может расходоваться на рождение короткоживущих частиц, исчезающих при возвращении энергии. Таким образом, вакуум в физике оказывается не пустым, а представляет собой море рождающихся и гасящихся всплесков.
Квантовая теория поля давала представление о физической неразложимости мира, о невозможности свести его к отдельным элементам. Это принцип целостности, который рассматривает взаимодействие микрообъектов с определенным состоянием физического вакуума, а вакуум играет роль микроусловий, в которых элементарные частицы проявляют свои свойства.
В рамках концепции целостности Вселенная рассматривается как целостная система, находящаяся в супер-симметричном состоянии. В процессе эволюции происходят моменты нарушения симметрии, приводящие к многообразию мира.
В определенные исторические моменты происходит спонтанное нарушение симметрии исходного вакуума. Концепция целостности содержит в себе концепцию развития, самовыдвижения, самоорганизации, выраженных в категориях симметрии и ассиметрии.
В рамках этого периода вакуум является прародителем известного нам мира.
5. Химия в системе естественных наук. Место и роль химии в современной цивилизации
Успехи человека в решении больших и малых проблем выживания в значительной мере были достигнуты благодаря развитию химии. Успехи многих отраслей человеческой действительности, таких как энергетика, металлургия, машиностроение, легкая и пищевая промышленность и других, во многом зависит от состояния и развития химии. Огромное значение химия имеет для успешной работы сельскохозяйственного производства, фармацевтической промышленности, обеспечения быта человека. Химическая промышленность производит десятки тысяч наименований продуктов, многие из которых по технологическим и экономическим характеристикам успешно конкурируют с традиционными материалами, а часть является уникальной по своим параметрам. Химия дает материалы с заранее заданными свойствами, в том числе и такими, которые не встречаются в природе.
Химия не только обеспечивает производство многих необходимых продуктов, материалов. Во многих отраслях промышленности широко используются такие химические методы обработки: отбеливание, крашение, печатание, что привело к интенсификации процессов повышения качества.
Химизация позволила человеку решить многие технические, экономические и социальные проблемы, но масштабность этого процесса затронула все компоненты окружающей среды: сушу, атмосферу, воду мирового океана – внедрилась в природные круговороты веществ. В результате нарушилось равновесие природных процессов на планете, химизация стала заметно отражаться на здоровье самого человека. В связи с этим возникла самостоятельная ветвь экологической науки – химическая экология.
Фундаментальные основы современной химии
Фундаментальными основами химии стали квантовая механика, атомная физика, термодинамика, статическая физика, а также физическая кинетика. На основе физики построена теоретическая химия. На химическом уровне мы имеем дело с очень большим числом частиц, участвующих в квантово-механических процессах обмена электронами (химических реакциях).
Базовое понятие химии – валентность – это макроскопическое, химическое отображение квантово-механических взаимодействий.
Развитие современной химии, ее основные концепции оказались тесно связанными не только с физикой, но и с другими естественными науками, особенно с биологией.
Современный этап развития химии связан с использованием в ней принципов химизма живой природы.
Понятие «химический элемент» и «химическое соединение» с точки зрения современности
Химический элемент – это «кирпичик» вещества. Периодический закон Д.И. Менделеева сформулировал зависимость свойств химических элементов от атомной массы, признаком элемента стало его место в периодической системе, определяемое атомной массой. Физика помогла составить представление об атоме, как о сложной квантово-механической системе, раскрыла смысл периодического закона на основе строения электронных орбит всех элементов.
Современное определение химического элемента – это вид атомов с одинаковым зарядом ядра, т.е. совокупность изотопов.
А химическое соединение – это вещество, атомы которого за счет химических связей объединены в молекулы, макромолекулы, монокристаллы или иные квантово-механические системы, т.е. главной стала физическая природа сил, соединяющая атомы в молекулы, обусловленная волновыми свойствами валентных электронов.
Учение о химических процессах
Учение о химических процессах является областью глубокого взаимопроникновения физики, химии и биологии. В основе этого учения находится химическая термодинамика и кинетика, которые в равной степени относятся и к химии, и к физике.
Предметом изучения являются условия протекания химических реакций, такие факторы как температура, давление и др.
Живая клетка, исследуемая биологической наукой, представляет собой микроскопический химический реактор, в котором происходят превращения, изучаемые химией.
Изучая эти процессы, современная химия перенимает у живой природы опыт, необходимый для получения новых веществ и материалов.
Основой химии живого являются каталитические химические реакции.
Большинство современных химических технологий реализуется с использованием катализаторов – веществ, которые увеличивают скорость реакции, не расходуясь в ней.
В современной химии получило развитие направление, принципом которого является энергетическая активация реагента (т.е. подача энергии извне) до состояния полного разрыва исходных связей. Это химия экстремальных состояний, использующая высокие температуры, большие давления, излучения с большой величиной энергии кванта.
Например, плазмохимия – химия на основе плазменного состоянии реагентов, элионные технологии – активация процесса достигается за счет направленных электронных или ионных пучков.
Эффективность технологии на основе химии экспериментальных состояний очень высока. Они характеризуются энергосбережением, высокой производительностью, высокой автоматизацией и простотой управления технологическим процессом, а также небольшим размером технологических установок.
Химия как наука тесно связана с химией как производством. Основная цель современной химии, вокруг которой строится вся исследовательская работа, заключается в исследовании генезиса (происхождения) свойств веществ и разработки на этой основе методов получения веществ с заранее заданными свойствами.
6. Возникновение и эволюция жизни. Концепция происхождения жизни
Эволюция жизни предполагает ее истоки, начало. Проблема происхождения жизни является одной из важнейших не только в биологии, но и во всем естествознании и имеет важное мировоззренческое значение.
В настоящее время существует несколько теорий происхождения жизни:
1. Концепция сверхъестественного (божественного) происхождения живого креоценизма – основана на вере.
2. Концепция многократного самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества. Появилась в древности. Ее придерживался еще Аристотель.
В XVII веке биолог Ф. Реди противопоставил ей принцип: живое возникает только из живого (принцип Реди, или концепция биогенеза). В XIX веке ее окончательно опроверг Л. Пастер, доказав, что появление жизни там, где она не существовала, связано с бактериями (пастеризация – избавление от бактерий).
3. Концепция современного состояния предполагает, что Земля и жизнь на ней существовали всегда, причем в неизменном виде.
4. Концепция панспермии связывает появление жизни на Земле с ее занесением из космического пространства.
Теоретическая возможность панспермии подтверждается обнаружением следов органических соединений в материальном и кометном веществе. В 1975 г. предшественники аминокислот найдены в лунном грунте. Интерес к этой теории периодически возрастает. Но нужно отметить, что на основе этих взглядов во второй половине ХХ века возникло множество разнообразных псевдонаучных гипотез и примитивных фантазий на тему космических пришельцев.
Похожие работы
... специальных методов. Изобретение Ньютоном и Лейбницем дифференциального и интегрального исчислений, развитие методов статистической обработки результатов опыта способствовали использованию математики во всех областях естествознания. Была «непостижима эффективность применения математики», но по ее законам были «на кончике пера» открыты планеты Нептун и Плутон, ток смещения в уравнениях Максвелла, ...
... сущность теории химической эволюции и биогенеза. Опишите историю открытия и изучения клетки. Зав. кафедрой -------------------------------------------------- Экзаменационный билет по предмету КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ Билет № 30 Назовите и охарактеризуйте междисциплинарные естественные науки. Сформулируйте третий закон механического движения Ньютона. Каким ...
... инерциальных системах отсчета. Пространственно-временной континуум – неразрывная связь пространства и времени и их зависимость от системы отсчета. Тема 11. Основные концепции химии 1. Химия как наука, ее предмет и проблемы Важнейшим разделом современного естествознания является химия. Она играет большую роль в решении наиболее актуальных и перспективных проблем современного общества. К ...
... вещей (»арден 1987: 53-68, Назаретян 1991: 60, Абдеев 1994: 150- 160). Атрибутивная концепция информации - информация как мера упорядоченности структур и их взаимодействий на всех стадиях организации материи (Абдеев 1994: 162). Одна из самых сложных проблем современного естествознания - функционирование отражения в неживом мире (существует ли в неживом мире опосредующее звено между ...
0 комментариев