Контрольная работа: Концепция современного естествознания
В конце 1-й четверти 20 в. оказалось, что выбрасываемые при b-распаде электроны уносят только часть энергии, теряемой ядром. Отсюда был сделан вывод, что другая её часть попросту уничтожается. Материалистическое решение возникшей трудности (В. Паули, 1931) состояло в предположении, что при b-распаде наряду с электроном из ядра вылетает другая, неизвестная ещё частица материи, с очень малой массой и электрически нейтральная, которую назвали "нейтрино". Без представления о нейтрино невозможно понять многие ядерные превращения, а также и превращения элементарных частиц (мезонов, нуклонов, гиперонов).Т. о., и здесь успех А. принёс поражение идеализму в физике.
После открытия позитрона И. и Ф. Жолио-Кюри наблюдали (1933) превращение позитронов и электронов в фотоны; наблюдалось также рождение пары - электрона и позитрона - при прохождении фотона - g-лучей вблизи атомного ядра. Эти явления были истолкованы как аннигиляция (уничтожение) материи и как её рождение из энергии. Развивая А., физики-материалисты (С.И. Вавилов, Ф. Жолио-Кюри и др.) показали, что в данном случае происходит взаимопревращение одного физического вида материи (вещества) в другой её вид (свет). Следовательно, и в этом отношении А. нанёс своими открытиями удар идеализму.
Процессы теплопередачи, как внутри одного тела, так и от одного тела к другому, находящимся с ним в прямом контакте, происходят по той причине, что кинетическая энергия атомов и молекул из участков, где она выше, под влиянием упругих соударений с соседними атомами переходит в области, где кинетическая энергия атомов и молекул меньше. В соответствии с этим, описание процессов теплопередачи должно осуществляться не на основе разности температур, как это делалось до сих пор, а на основе разности их внутренних энергий теплового движения.
Поэтому процесс переноса тепла от тела с большей кинетической энергией к телу с меньшей кинетической энергией может происходить, даже если температура первого меньше температуры второго, т.е. тепло может переходить от более холодного тела к более горячему, что противоречит формулировке второго закона термодинамики. Его следует сформулировать более точно: тело с меньшей кинетической энергией теплового движения атомов (молекул) не может отдать тепло телу, атомы (молекулы) которого обладают большей кинетической энергией теплового движения.
Если привести в соприкосновение два разных металла или полупроводника с сильно отличающимися характеристическими температурами, то, кроме контактной разности температур, возникает и контактная разность потенциалов. Не исключено поэтому, что, составив замкнутую электрическую цепь, за счет контактной разности температур и потенциалов можно получить электродвижущую силу и создать, таким образом, новый прямой способ преобразования тепловой энергии окружающей среды в электрическую - один из способов, предложенных П.К. Ощепковым.
Кроме основной, традиционной, формулировки второго закона термодинамики (тело с более низкой температурой самопроизвольно не может отдавать тепло телу с более высокой температурой), существуют еще две. Одна из них: при всех процессах в замкнутых системах энтропия не убывает. Эта, претендующая на всеобщий закон, формулировка абстрактна, и ее правильность, по мнению С.В. Цивинского, не подтверждена ни экспериментами, ни безупречными теоретическими выводами. Более того, правильность этой формулировки, как закона природы, не подтверждается даже простым рассмотрением процесса смешения двух идеальных одноатомных газов в замкнутой системе: никакого изменения энтропии здесь не будет. Понятие энтропии не пригодно для точного описания тепловых процессов, так же, как и традиционная формулировка второго закона термодинамики.
Теплопроводность является одним из видов переноса тепла. Способность вещества проводить теплоту характеризуется коэффициентом теплопроводности l. Согласно основному закону теплопроводности (закону Фурье - q = - l grad t) коэффициент теплопроводности равен плотности теплового потока q при градиенте температуры 1 К/м. Наименьшим коэффициентом теплопроводности обладают газы, наибольшим - металлы. Для сравнения воздух имеет l "0,025 Вт/(мЧК), вода l" 0,6 Вт/(мЧК), сталь l "50 Вт/(мЧК), серебро и медь l" 400 Вт/(мЧК). В ограждениях холодильников используемые строительные материалы (кирпич, бетон) имеют l "0,7…1,0 Вт/(мЧК), а теплоизоляция (пенопласты, минеральная вата l "0,04…0,09 Вт/(мЧК).
Теплоотдача путем конвекции - перемещение частиц газа или жидкости, смешивание их нагретых слоев с охлажденными. В воздушной среде даже в условиях покоя на теплоотдачу конвекцией приходится до 30% потерь тепла. Роль конвекции на ветру или при движении человека еще более возрастает.
Передача тепла излучением от нагретого тела к холодному совершается согласно закону Стефана-Больцмана и пропорциональна разности четвертых степеней температуры кожи (одежды) и поверхности окружающих предметов. Этим путем в условиях "комфорта" раздетый человек отдает до 45% тепловой энергии, но для тепло одетого человека особой роли теплопотери излучением не играют.
Температура - характеристика степени нагретости тела. Теплота кинетическая часть внутренней энергии вещества, определяемая интенсивным хаотическим движением молекул и атомов, из которых это вещество состоит . Мерой интенсивности движения молекул является температура. Количество теплоты, которым обладает тело при данной температуре, зависит от его массы; например, при одной и той же температуре в большой чашке с водой заключается больше теплоты, чем в маленькой, а в ведре с холодной водой его может быть больше, чем в чашке с горячей водой (хотя температура воды в ведре и ниже).
Количество тепловой энергии в веществе нельзя определить, наблюдая за движением каждой его молекулы по отдельности. Напротив, только изучая макроскопические свойства вещества, можно найти усредненные за некий период времени характеристики микроскопического движения многих молекул. Температура вещества - это средний показатель интенсивности движения молекул, энергия которого и есть тепловая энергия вещества.
Тепловое равновесие. Очевидно, что если два тела A и B плотно прижать друг к другу, то, потрогав их спустя достаточно долгое время, мы заметим, что температура их одинакова. В этом случае говорят, что тела A и B находятся в тепловом равновесии друг с другом. Однако тела, вообще говоря, не обязательно должны соприкасаться, чтобы между ними существовало тепловое равновесие, - достаточно, чтобы их температуры были одинаковыми. В этом можно убедиться с помощью третьего тела C, приведя его сначала в тепловое равновесие с телом A, а затем сравнив температуры тел C и B. Тело C здесь играет роль термометра. В строгой формулировке этот принцип называется нулевым началом термодинамики: если тела A и B находятся в тепловом равновесии с третьим телом C, то эти тела находятся также в тепловом равновесии друг с другом. Этот закон лежит в основе всех способов измерения температуры.
Теплота представляет собой одну из форм энергии, а поэтому должна измеряться в единицах энергии. В международной системе СИ единицей энергии является джоуль (Дж). Допускается также применение внесистемных единиц количества теплоты - калорий: международная калория равна 4,1868 Дж, термохимическая калория - 4,1840 Дж. В зарубежных лабораториях результаты исследований часто выражают с помощью т. н.15-градусной калории, равной 4,1855 Дж. Выходит из употребления внесистемная британская тепловая единица (БТЕ): БТЕсредн = 1,055 Дж.
Время выполнения физических упражнений зависит от мощности этих упражнений и скорости (интенсивности) их выполнения.
Т = Р / V. Скорость расщепления зависит от веса, которую необходимо сбросить и энергии расщепления жира и углеводов.
V = m* (m*v2/2) = 0.25 * 0.04*105/2 = 200;
V = 0.2*0.02*105/2 = 40;
Таким образом, t = 700 / 240 = 3 часа.
Энтропия - степень хаоса или беспорядка в системе. Второе начало термодинамики определяет важную тенденцию в эволюции физического мира - с течением времени в замкнутой изолированной системе энтропия должна возрастать. В результате энергии распределяются по рангам так, что высший занимают те, которые способны превратиться в большее число видов энергии. Тогда низший ранг останется теплоте, превращения которой ограничены принципом Карно. Из энергий, встречающихся в физике и химии, высший ранг имеют механическая и электрическая энергии, промежуточный - химическая энергия (из-за тепловых явлений, сопровождающих химические реакции). Психологически удобно, поскольку наш ум привык негативно воспринимать потерю чего-либо, пользоваться величиной, равной энтропии, но с обратным знаком, которую предложил ввести Шредингер. Один из творцов теории информации французский физик Бриллюэн (1889-1969) назвал ее негэнтропией: N = - S. Негэнтропия представляет качество энергии, а принцип Карно выражает закон оценивания энергии, ее деградации. Система, способная производить механическую работу (сжатая пружина, заряженная батарея, поднятый над Землей груз), может рассматриваться как источник негэнтропии, и, совершая работу, она теряет ее запас.
Во второй половине нашего столетия проблема информации стала одной из самых актуальных научных проблем, обсуждаемой в разных аспектах и на разных уровнях. Так, специалист в области передачи информации уделил бы основное внимание, например, количественным характеристикам, кодированию, влиянию шумов, помех, специалист по информатике интересуется поиском и хранением информации, информационным обеспечением науки и т.п.
Развитие науки о системах управления и кибернетики выдвинуло задачу исследования природы и сущности информационных процессов, без которых немыслима работа ЭВМ и систем управления. Исследования генетиков привели к выводу, что в основе биологической наследственности также лежит информация, благодаря которой живое воспроизводит себя в потомстве. В нейрофизиологии представление об информации позволило сформулировать закон о пропорциональности ощущения логарифму возбуждения, поскольку нервные волокна, передающие сигнал от акцепторов к мозгу, действуют по принципу идеального канала связи. Специалист по семантике смотрит на информацию как на систему знаков.
В обыденном сознании, по мнению академика В.М. Глушкова, понятие информации охватывает как те сведения, которыми располагают и обмениваются люди, так и те, что существуют независимо от них. Объем этой информации растет, так что можно говорить об информационном буме.
Прогресс кибернетики связан и с совершенствованием средств оценки измерений информации. Винер, один из создателей этой науки, не дал определения информации, но отметил, что "это не материя, и не энергия", это просто "информация". В 1927 г. Р.В. Хартли предложил исходить из того, что количество информации, заключенной в любом сообщении, связано с количеством возможностей, исключающихся этим сообщением.
Клод Шеннон и Уоррен Уивер в своем фундаментальном труде "Математическая теория связи" (1949 г) развили идею Хартли и представили формулу вычисления количества информации, в которой последняя возрастала с уменьшением вероятности отдельного сообщения. Так информация была ими определена как мера свободы чьего-либо выбора, как логарифм доступных выборов.
В 40-х годах Шеннон, исследуя пропускную способность каналов связи, вывел простую формулу, по которой можно рассчитать количество информации, отвлекаясь от ее качественных характеристик. Количество информации стали понимать как меру упорядоченности структур в противовес мере хаоса - энтропии.
Эта формула была функционально эквивалентна формуле, написанной Планком для термодинамической энтропии. Ряд ученых предполагали огромные возможности, открывающиеся из-за этого совпадения. Другие были осторожными в своих оценках. Эшби, например, заметил: "Движение в этих областях напоминает движение в джунглях, полных ловушек".
Нальем в сосуд водопроводной воды и поместим над горелкой. Вскоре на дне и стенках сосуда мы заметим многочисленные пузырьки. Они содержат водяной пар и воздух, который всегда растворен в воде за счет явления диффузии.
Рассмотрим пузырек, возникающий около горячего дна. Увеличиваясь в объеме, пузырек увеличивает площадь своего соприкосновения с еще недостаточно прогревшейся водой. В результате воздух и пар внутри пузырька охлаждаются, их давление уменьшается, и тяжесть слоя воды "захлопывает" пузырек. В этот момент закипающая вода издает характерный шум. Он возникает из-за ударов воды о дно сосуда там, где захлопываются пузырьки. Постепенно вода прогревается, и давление пара внутри пузырьков уже не уменьшается. Пузырьки перестают схлопываться и начинают расти. С этого момента шум становится тише. По мере увеличения объема пузырьков возрастает архимедова сила, и они начинают всплывать.
Итак, кипением называется интенсивное (бурное) парообразование, происходящее по всему объему жидкости внутрь возникающих и всплывающих на поверхность многочисленных пузырей пара.
Опыты показывают, что во время кипения температура жидкости и пара над ее поверхностью одинакова и остается постоянной до полного выкипания жидкости. Поэтому температура кипения - одна из характеристик вещества.
По мере кипения масса жидкости уменьшается (говорят, что она "выкипает"). Пар, покидающий сосуд, уносит с собой часть внутренней энергии. Поэтому для поддержания кипения жидкости необходимо постоянно передавать ей теплоту. Измерив массу выкипевшей жидкости, легко подсчитать количество теплоты, затраченное на образование пара. Для этого служит формула Q=rm, изучение которой предусмотрено на факультативных занятиях.
Кипение не при атмосферном давлении. Оказывается, что слова "кипяток" и "горячий" - не синонимы, то есть имеют разный смысл. Чтобы уяснить эту разницу, рассмотрим опыт. Возьмем колбу и вскипятим в ней воду. Немного подождем, чтобы вода чуть-чуть остыла, а затем закроем колбу пробкой с трубкой, присоединенной к насосу. Откачав из колбы воздух, мы заставим воду кипеть вновь!
Итак, опытным путем мы установили, что при уменьшении давления жидкость начинает кипеть при меньшей температуре. Будет верным и обратное утверждение: увеличение давления на поверхность жидкости приведет к возрастанию температуры ее кипения. Объясним этот факт.
Рассмотрим давление, воздействующее на зарождающийся пузырек пара. Оно складывается из гидростатического давления слоя жидкости (pж=rgh) и внешнего давления (pатм = 101,3 кПа), которое передается пузырьку через слой жидкости согласно закону Паскаля. Если какое-либо из этих давлений вдруг уменьшится, то давление пара внутри пузырька сможет расширять его даже при меньшей температуре, что мы и наблюдали на опыте. И наоборот: увеличение давления на зарождающийся пузырек (например, по причине толстого слоя налитой воды) приведет к необходимости прогрева жидкости до более высокой температуры. Только в этом случае давление пара сможет расширять пузырьки, заставляя воду кипеть.
Сублимация - это переход состояние через фазу - т.е. из твердого в газообразное. Десублимация - переход агрегатного состояния через фазу в обратном направлении - из газообразного в твердое. Переход вещества из твердого состояние непосредственно в газообразное можно наблюдать, например, в оболочках кометных хвостов. Когда комета находится далеко от Солнца, почти вся ее масса сосредоточена в ядре. Ядро окружено небольшой оболочкой газа. При сближении кометы с Солнцем ядро и оболочка кометы начинают нагреваться, вероятность сублимации растет, а десублимации - уменьшается.
