Закон Шарля

3. закон Шарля.

Изменение давления с температурой при постоянном объеме.

P=p0(1+𝛼𝛥T);

Т.е. изохорный процесс. Здесь термический коэффициент давления и коэффициент объемного расширения одинаковы для всех газов и равны (1/273).

Параметры газа связанны между собой уравнением состояния. Уравнение состояния газа ввел Клайперон. Оно связывает давление, объем, температуру заданной массы газа, т.е объединяет все три газовых закона. Он записал объединенный закон Бойля-Мариота и Гей-Люссака в виде

pV=R(267+t).

Клайперон впервые употребил графическое изображение обратимых круговых процессов и вычислил работу как соответствующую площадь на графике.

Уравнение Клайперона-Манделеева получено при обобщении Менделеевым уравнения Клайперона с учетом закона Авогадро – Ампера – Жерара

pV=(m/µ)RT,

где m- масса газа, µ - его молекулярный вес, R – универсальная газовая постоянная, равна 8,31 (Дж/Моль*К). согласно закону Авогадро моли всех газов при одинаковой температуре и давлении занимает одинаковый объем. При нормальных условиях но равен 22,4 л=22,4·10-3 м3.

Так как молекул иного и они часто ударяются о стенку, их действие на поверхность можно заменить одной непрерывно действующей силой. Эта сила сглаживает отдельные точки. Средне кинетическая энергия поступательного движения молекулы газа в состоянии теплового равновесия она одинакова для всех молекул газа, находящихся в тепловом контакте, и для различных молекул газовой смеси.

Температура газа должна определятся средней кинетической энергией его молекул.

Для определения температуры нужно найти величину, которая бы обладала свойствами температуры – быть одинаковой у всех тел, находящихся в состоянии теплового равновесия. Физик Больцман установил, что этим свойствам обладает средне кинетическая энергия поступательного движения молекул:

Еср.=(3/2)kT,

где k=1,38*10-23(Дж/К). значит температура мера средней кинетической энергии поступательного движения идеального газа.

Если средне кинетическая энергия поступательного движения молекулы равна 7,87*10Е-21 Дж, то температура идеального газа =0,26·10-22

Когда возникает металлическая связь? Дайте представление о теории металлов (классической и квантовой), полупроводниках, диэлектриках, изоляторах

Твердые тела, как и жидкость, относят к конденсированным средам. Внутренняя энергия твердого тела состоит из кинетической энергии колебаний и потенциальной энергии связи.

Металлическая связь возникает при сближении атомов на расстоянии, меньшее размеров облака внешних электронов. Согласно принципу Паули, при такой конфигурации растет энергия внешних электронов, и ядра соседей начинают притягивать эти внешние электроны, размывая электронные облака. И внешние электроны, наконец-то, равномерно распределяются по металлу, образуя электронный газ.

Классическая теория металлов разработана в 1900 году ученым П.Друде на основе представлений о носителях тока в металлах. По классической теории металлов, электроны ведут себя как атомы идеального газа. Но в отличии лот молекул идеального газа электроны проводимости сталкиваются не между собой, а с ионами, образующими кристаллическую решетку. Столкновения устанавливают равновесия между этими двумя подсистемами. Согласно кинетической теории, средняя скорость теплового движения электронов равна 105 м/с. Сопротивление металлов объяснялось соударением электронов с ионами, и плотность тока прямо пропорциональна напряженности поля (закон Ома) с коэффициентом проводимости. К концу свободного пробега электрон приобретает дополнительную кинетическую энергию, которую теряет при столкновении с ионом. Эта энергия переходит во внутреннюю и способствует повышению температуры. Количество этой энергии пропорциональна квадрату напряженности поля.

Но классическая теория вызывала противоречия, которые были сняты в квантовой теории металлов. Первым успехом явилось объяснение Эйнштейном в 1906 году малой теплоемкости твердых тел при низких температурах. Теплоемкость твердых тел при малой температуре меняется пропорционально кубу температур. Грюнайзен вывел новое уравнение состояния твердых тел и получил из него зависимость между линейным коэффициентом расширения твердого тела и его сжимаемостью. Внешние электроны обладают коллективными свойствами, и их кинетическая энергия равна (5-10)Эв, вместо 3*10-2Эв. Энергетической состояние любого электрона определяется четырьмя квантовыми числами. Невозбужденное состояние соответствует минимуму свободной энергии. Каждый энергетический уровень при сближении атомов расщепляется, образуя металлическую зону плотно расположенных уровней. Эти зоны разрешенных уровней , разделены промежутками – зонами запрещенных уровней.

Деление веществ по проводимости тока:

Проводники

Полупроводники – они характеризуются тем, что электроны полностью занимают валентную зону. Поэтому для увеличения энергии электрона ему нужно сообщить энергию достаточную для преодоления запрещенной зоны. Поэтому электрические свойства кристалла определяется шириной запрещенной зоны. Полупроводники стали активно выходить в технику в 20 г. 20 века. Появились выпрямители и фотоэлементы. Собственная проводимость возникает в результате переходов электронов с верхних уровней в зону проводимости. Освобождаемое место называется дыркой. В отсутствии поля они движутся хаотически. При включении поля происходит процесс заряда в кристалле, который накладывается на хаотическое движение. Каждой температуре соответствует определенная концентрация электронов и дырок. Примесная проводимость полупроводников возникает, если некоторые атомы в узлах кристаллической решетки заменить на другие, валентность которых отличает на единицу.

Диэлектрики – диэлектрики или изоляторы имеют большую ширину запрещенной зоны, и тепловой энергии уже не достаточно для перевода электронов через нее. Сегнетоэлектрики – группа кристаллических диэлектриков, которая способна к самопроизвольной поляризации в отсутствии внешнего электрического поля. Для каждого сегнетоэлектрика существует область, когда эти свойства проявляются. Поляризация в них возникает при механической нагрузке в степени, пропорциональной степени упругой деформации. Кристаллическая решетка может быть представлена в виде нескольких простых решеток, вставленных друг в друга. Если у кристалла нет центра симметрии, при деформации происходит относительное перемещение простых решеток и возникает поляризация.

Сейчас в природе существуют конденсированные среды, для которых характерно неупорядоченное расположение атомов. Это стекло, сталь, сплавы. Свобода расположения атомов в пространстве изменяет электрические, магнитные, сверхпроводящие свойства этих тел.

Фундаментальные типы взаимодействий в физике. Почему они так называются? Какие законы сохранения фундаментальны для всего естествознания и почему?

Мир не представляется набором тел, он подвижен, активен и все, что заполняет мир, подвержено движению и изменению. Классическая механика признала, что существует движение и без приложенной силы, и только отклонение от прямолинейности равномерности требует силы. Ньютон установил, что сила вызывает ускорение, и получил простую формулу, отражающую эту связь. Механика Ньютона была признана, изменилось описание движений, но происхождение сил в ней не обсуждались.

Существует 4 типа взаимодействия в природе.

Гравитационное: гравитация стала первым исследуемым взаимодействием. Сначала ее связывали только с Землей, считали, что тяжелое стремиться только вниз, а легкое – вверх. По закону всемирного тяготения Ньютона, гравитационные силы прямопропорциональны произведению тяготеющих масс и обратно пропорциональны квадрату расстояния между их центрами. Основное свойство гравитационного взаимодействия – его универсальность. Гравитационные силы действуют по закону обратных квадратов расстояния между массами тел и всегда направлены на притяжение. Гравитация универсальна, все тела подвержены гравитации. Величина гравитационного взаимодействия мала, а между макроскопическими телами она еле заметно. Гравитация – это проявление искривления пространства – времени.

Электромагнитное : обусловлено электрическими и магнитными зарядами. Силы взаимодействия между зарядами зависят от положения и движения зарядов. Если два заряда не подвижны и сосредоточенны в точках на расстоянии, то взаимодействие между ними электрической и определяется законом Кулона. Электрический заряд всегда связан с элементарными частицами. Заряд протона считается – положительным, нейтрона – отрицательным. Магнитные силы порождаются электрическими токами. Поэтому величина е определяет и интенсивность магнитного взаимодействия. Если электрические заряды движутся с ускорением, то они отдают энергию в виде света, радиоволн или рентгеновских лучей. Видимый свет является электромагнитным излучением определенного диапазона частот. Электромагнитное взаимодействие определяет структуру и поведение атомов, удерживают атомы от распада, отвечают за связями между молекулами. Электромагнитные силы действуют по закону обратных квадратов расстояния между электрическими зарядами е1 и е2 , сила электрического взаимодействия направлена вдоль прямой, соединяющей заряды и зависит от их знаков.

Слабое ядерное: сильные и слабые взаимодействия короткодействующие и проявляются только в пределах размеров атомного ядра, т. е в областях порядка 10-14 м. слабое ядерное взаимодействие ответственно за многие процессы. Например, превращение нейтронов в протоны. Эффективность слабого взаимодействия можно охарактеризовать универсальной постоянной связи g(W), определяющей скорость протекания процессов типа распада нейтрона. Это взаимодействие вызывает множество превращений. Сверхновые звезды – пример слабого взаимодействия.

Сильное ядерное: оно препятствует распаду атомных ядер, не будь его, ядра распались бы из-за сил электрического отталкивания протонов. С этим типом взаимодействия связанны энергия, выделяемая солнцем и звездами, превращение в ядерных реакторах и освобождение энергии. Сильное взаимодействие не удовлетворяет закону обратной пропорциональности, как гравитационное или электромагнитное – оно очень резко спадает за пределами эффективной области радиусом около 10-15 м. внутри протонов и нейтронов тоже существует сильное взаимодействие между теми элементарными частицами, их которой они состоят, следовательно, взаимодействие протонов и нейтронов есть отражение их внутренних взаимодействий. Сильные ядерные взаимодействия связывают между собой кварки, входящие в состав протонов и нейтронов и других частиц, которые имеют сейчас адронами. Оно ответственно за удержание протонов и нейтронов в ядре.

Перечисленные виды взаимодействий имеют разную природу. Самым сильным является короткодействующее сильное взаимодействие, электромагнитное слабее его на 2 порядка, слабое на 14 порядков, гравитационное самое слабое.

Идея сохранения энергии можно перейти от механических движений к тепловым далее – к микроструктуре вещества. Таким образом, Вселенная это совокупность частиц, которые могут взаимодействовать только 4 способами, и подчиняться небольшому числу фундаментальных законов

Охарактеризуйте распространенность химических элементов на Земле и в ее биосфере. В чем принципиальное единство химического состава живых организмов и неживой природы

Примерно из ста химических элементов, встречающихся на земле, для жизни необходимы только 16, причем 4 из них: водород (Н), углерод (С), кислород (О) и азот (N), наиболее распространены в живых организмах и составляют 99% массы живого. Биологическое значение этих элементов связанно с их валентностью (1,2,3,4,) и способность образовывать прочные ковалентные связи, которые оказываются прочнее, чем связи, образуемые другими элементами той же валентности. Следующими по важности являются фосфор (P), сера (S), ионы натрия, магния, хлора, калия и кальция (Na,Mg,Ci,K,Ca). В качестве микроэлементов в живых организмов присутствуют железо (Fe), кобальт (Co), медь (Cu), цинк (Zn), бор (B), алюминий (AI), кремний (Si), ванадий (V), молибден (Mo), иод (I), марганец (Mn).

С точки зрения химии – это всевозможные превращения разнообразных крупных и сложных молекул, главным из которых является углерод. В земной коре углерода всего 0,055%, кислорода 60,50%, кремния 20,45% и титана 0,27%. В атмосфере двуокиси углерода 0,03%, т.е. углерода всего 0,008%. Все биологически функциональные вещества, кроме нескольких солей и воды, содержит углерод. Это белки, жиры, углеводы, гормоны, витамины. Число соединений углерода огромно.

Соединениями углерода занимается органическая химия. Органика разлагается, горит при высоких температурах, при сгорании в воздухе углерод окисляется до СО2. Химический характер веществ зависит от природы и количества его составных частей и химического строения соединения. Благодаря этому было сформулировано понятие химического строения как способа связей в молекуле. Структурные формы отражали связь со свойствами вещества, объяснили изомерию, предсказали свойства еще неизвестных соединений, и помогли развить систематику органических соединений.

Свойства углерода – образовывать стабильные кольца и цепи – октан – это 8 атомов углерода в окружении водородных, образующих цепочку, в которой атомы лежат не параллельно, а зигзагообразно, свободно вращаясь в местах сочленения.

Кратные связи, кроме углерода, могут образовывать фосфор и кислород. Размеры органических молекул определяются углеродным скелетом, а химические свойства – присоединенными к нему элементами и химическими группами.

Обменные процессы в живой природе характеризуется круговоротом веществ. В круговорот втянуты все геосферы, в них происходит процесс переноса веществ. Миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере осуществляется при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция) или она протекает в среде геохимические особенности которой (кислород, углеродный газ, водород) обусловлены живым веществом, которое в настоящее время населяет биосферу .

Какими методами удалось изучить состав живой клетки и ее молекулярное строение? Каково значение неорганических компонентов клетки в обеспечении процессов ее жизнедеятельности?

Клетка – элементарная живая система. На нашей планете все живое развивалось в несколько миллионов видов, но все они от бактерий до высших живых – состоят из клеток. Об открытии клеточного строения жилого вещества сообщил в 1665 году Гук. Он впервые применил микроскоп для исследования живой ткани, увидел только клеточные стенки отличающиеся размером и толщиной.

Клеточная теория сложилась в течении 19 века в результате микроскопических исследований , когда появились более совершенные микроскопы. Основа клеточной теории: клетка основная структурная единица теории и единица развития живых организмов; ядро – основная составляющая клетки; клетки размножаются только делением; всем клеткам присуща мембранное строение; клеточное строение – свидетельство единого происхождения растительного и животного мира. Современная клеточная теория исходит из единства растленности многоклеточного организма на клетки и его целостности, основанной на взаимодействии клеток. Размеры клеток измеряются в микрометрах (мкм) и в нанометрах (нм).

Ткань образуют клетки одного типа, сгруппированные вместе. Каждый орган состоит из ткани, каждая ткань состоит из клетки. При большем увеличении в клетках можно обнаружить органеллы, выполняющие свой набор функций. В ядре хранится генетическая информация, в секреторных гранулах запасаются вещества, которые затем выделяются из клетки. Наружная мембрана контролирует поступление веществ внутрь клетки и выход из нее. Органелла выполняет свою функцию через серию химический реакций, каждая из которых катализируется ферментом. Органелльная организация клетки играет важную роль в ее функционировании, иначе активность клетки была бы невозможна.

Химический состав клетки: кроме воды (около 70%) в клетке содержаться белки, кислоты, углеводы, жироподобные вещества, ионы минеральных солей. Каждая клетка выполняет свою функцию в организме.

Количество клеток в разных организмах отличается . в соответствии числом клеток все организмы делятся на пять царств.

Вирусы – они в 50 раз меньше бактерий. Они обладают генетическим материалом (ДНК или РНК). Они являются паразитами. Проникнув в чужую клетку, вирусы как бы отключают хозяйскую ДНК и заставляет ее производить только вирусы.

Прокариоты

Эукариоты

Бактерии

Водоросли.

Ядро – основная часть клетки. В ядре различают кариоплазму, хроматин и ядрышко.

Кариоплазма – это жидкая часть ядра, в которой находятся растворенные продукты жизнедеятельности. Под электронным микроскопом ядро выглядит беспорядочно зернистым и только в одной ее части зернистость резко возрастает – образуя ядрышко. Ядро расположено в центральной части клетки, окружена мембранной и содержит ДНК, в ядрышке, которых бывает несколько ,только РНК. Ядрышко – это скопление рибосомальных белков и частей рибосом , в основе которого лежит участок хромосомы, определяющий ее структуру, несущий ген. Благодаря ДНК ядро выполняет свои функции: хранение и воспроизведение генетической информации и регуляции процессов метаболизма в клетке. Жизненный цикл клетки – это промежуток времени от ее возникновения до ее гибели.

Клетки могут делиться и размножаться. Совокупность процессов период к подготовки к делению и сам процесс называется митотическим циклом. Деление клетки делят на : митоз (процесс деления клетки, состоящий в точном распределении генетического материала между дочерними клетками. Деление начинается с ядра, когда хромосомы уже удвоились.); мейоз (делению подвержены только клетки с двойным набором хромосом – диплоидные).

Виды размножения:

Бесполое – новая особь развивается из соматических клеток.

Половое – смена поколений и развитие организмов на основе половых клеток, называемых «гаметами». Половые клетки объединяются и их ядра сливаются с образованием зиготы.

Клетке присуще мембранное строение . среди мембранных органоидов: наружная цитоплазматическая мембрана , эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи, лизосомы, митохондрии, пластиды. В основе всех этих органелл лежит биологическая мембрана и все они имею единое строение. Мембрана обеспечивает стабильность химического содержимого клетки и регулирует обмен с окружающей средой. Вещества растворимые в липидах, проходят через мембрану, не растворяясь в ней. Специальные белковые молекулы в мембране переносят различные вещества. Клеточная мембрана, по мимо барьерной функции обеспечивает обмен между цитоплазмой и внешней средой, из которой в клетку поступает вода, ионы, различные молекулы, а выводятся продукты обмена веществ и синтезированные в клетке вещества.

В растительных клетках имеются еще хлоропласты и вакуоли (пространство заполненное клеточным соком).

Литература

1.         Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: учеб. пособие для студ. вузов / Татьяна Яковлевна Дубнищева. — 6-е изд., испр. и доп. — М.: Издательский центр «Академия», 2006. — 608 с.

2.         Дубнищева Т.Я. Современное естествознание / Т.Я.Дубнищева, А.Ю.Пигарев. — Новосибирск: ЮКЭА, 1998. — М.: Маркетинг, 2000.

3.         Липкин А. И. Основания современного естествознания. — М.: Вузовская книга, 2001.

4.         Электронный учебник «концепции современного естествознания»

5.         Астрономия с Патриком Муром/ Патрик Мур.- пер. с англ. К. Савельева. – М.: ФАИР_ПРЕСС, 2004.- 368 с.:- (Грандиозный мир).