15. Термодинамическое и статическое описание макросистем. Тепловые процессы. Законы термодинамики. Направленность термодинамических процессов.

Наука о тепловых явлениях получила название термодинамика, она возникла как наука о превращении тепла в механическую энергию, т.е. в работу.

Термодинамика возникла из обобщения многочисленных фактов, описывающих явления передачи, распространения и превращения тепла. Путем точных экспериментов было доказано, что тепловая энергия превращается в механическую энергию в строго определенных количествах.

Термодинамика представляет собой науку о тепловых явлениях, в которой не учитывается молекулярное строение тел. В термодинамике тепловые явления описываются с помощью величин, регистрируемых приборами, не реагирующими на воздействие отдельных молекул. Все законы термодинамики относятся к телам, число молекул которых огромно. Такие тела называют макроскопическими. Они образуют макросистемы.

Термодинамика базируется в основном на двух фундаментальных законах: первом и втором началах термодинамики. Открытие закона сохранения энергии способствовало развитию двух методов исследования тепловых явлений и свойств макросистем: термодинамического и статистического (молекулярно-кинетического). Первый из них лежит в основе термодинамики, второй – молекулярной физики. Простейшими термодинамическими системами являются газы, жидкости, твердые тела.

Термодинамика возникла из обобщения многочисленных фактов, описывающих явления передачи, распространения и превращения тепла. Самым очевидным является тот факт, что распространение тепла представляет собой необратимый процесс. Не менее известно, что тепло передается от горячего тела к холодному, а не наоборот. С другой стороны, путем точных экспериментов было доказано, что тепловая энергия превращается в механическую энергию в строго определенных количествах. Существование такого механического эквивалента для теплоты свидетельствовало о ее сохранении.

Все эти многочисленные факты и нашли сове обобщение и теоретическое объяснение в законах классической термодинамики.

Первый закон термодинамики.

U = Q - А.

Количество тепла, полученное системой будет равно сумме превращений внутренней энергии и работы, которую система совершает против внешних сил. Это выражение стало классическим, его запись принадлежит Клаузиусу.

Закон сохранения и превращения энергии был применим ко всем известным видам энергии. Он известен как первое начало термодинамики.

Второй закон термодинамики.

При работе теплового двигателя происходит передача количества тепла от более горячего резервуара к холодному. Разность тепла превращается в механическую работу:

А = Q2 – Q1 Q2 – количество тепла горячего резервуара.

КПД такого двигателя: КПД = А / Q2 = Q2 – Q1 / Q2 = 1 - Q1 / Q2

Тепло не может перетечь самопроизвольно от холодного тела к горячему (Клаузиус). ИЛИ

Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара (Кельвин).

Внутренняя энергия не может самопроизвольно переходить от тела с меньшей температурой к телу с большей температурой. – второй закон термодинамики справедлив в том числе и для необратимых процессов, которые могут самопроизвольно протекать только в одном направлении.КПД реальной тепловой машины всегда меньше единицы, т.к. в противном случае не выполняется второй закон термодинамики.

16. Формы движения материи в окружающей природе. Свойства материи.

Движение определяет свойства, структурную организацию и характер существования материи. В процессе развития материи проявляются качественно новые и более сложные формы движения. Под формами движения мы понимаем основные типы движения и взаимодействия материальных объектов, которые выражают их целостные изменения. основные формы движения материи в природе.

1. К формам движения материи в природе относят:

- механическая форма движения – это перемещение в пространстве;

- движение элементарных частиц – это различные типы взаимодействия, различные превращения элементарных частиц;

- химическая форма движения материи – это движения и превращения атомов в молекулах в процессе химических реакций;

- структурные изменения макроскопических тел (тепловые процессы, звуковые колебания, изменения агрегатных состояний – плавление, испарение, кристаллизация и др.);

- изменения космических систем различных масштабов (планет, звезд, галактики и их скоплений).

2. Формы движения в живой природе - это различные жизненные процессы происходящие как в отдельных живых организмах, так и в различных совокупностях организмов. К таким процессам относят процессы обмена веществ, процесса саморегуляции, воспроизводство потомства, а также взаимодействие всей биосферы с природными системами земли и с обществом.

Материя несотворима и не уничтожаема, она вечна во времени и бесконечном пространстве. В своих структурных проявлениях материя неразрывно связана с движением и способна к постоянному саморазвитию. Благодаря этим свойствам на определенных этапах развития при наличии благоприятных условий может возникать высшая форма материи, а именно – жизнь.

17. Развитие представлений о свете. Корпускулярно-волновые свойства света. Гипотеза квантов. Испускание и поглощение квантов света.

Свет – это электромагнитные волны. Различным длинам волн излучаемого света соответствуют различные частоты колебаний электронов внутри атомов. Каждая отдельная линия в линейчатом спектре излучения образуется светом с одной длиной волны.

Первый шаг в изучении микрочастиц был сделан немецким физиком М.Планком. В процессе работы по исследованию теплового излучения он пришел к ошеломляющему выводу о том, что в процессах излучения энергия может быть отдана или поглощена не непрерывно и не в любых количествах, а лишь в известных неделимых порциях – квантах. Понятие элементарного кванта действия послужило основой для понимания всех свойств атомной оболочки и атомного ядра.

Энергия каждого кванта пропорциональная частоте волны, т.е. цвету излучаемого света: E=hv, где h=6,6 . 10-27 эрг.с , v – частота.

Понятие кванта действия послужило в дальнейшем ключом к пониманию всех свойств атомной оболочки и атомного ядра.

Первым физиком, который принял открытие элементарного кванта действия и творчески развил его был А.Эйнштейн. В 1905 году он перенес гениальную идею квантованного поглощения и отдачи энергии при тепловом излучении на излучение вообще и таким образом обосновал новое учение о свете, признав корпускулярную структуру света.

Еще Ньютон рассматривал свет в виде мельчайших корпускул. Его современник Гюйгенс полагал, что корпускулы не излучаются светящимися телами, а заполняют все пространство. Сторонники Гюйгенса высказывали мнение, что свет есть распространяющееся колебание в особой среде – «эфире», которым заполнено все мировое пространство и который свободно проникает во все тела. Световое возбуждение передается от источника света эфиром во все стороны. Так возникли первые волновые представления о природе света. Принцип Гюйгенса-Френеля: каждая точка, до которой дошло световое возбуждение становится центром вторичных волн и передает их во все стороны соседним точкам.

После открытия явлений интерференции , дифракции, явления поляризации. возобладала волновая теория света. Волновую природу света подтверждает и явление дисперсии – зависимость скорости распространения света в среде от длины волны, которая была открыта Ньютоном. Узкий параллельный пучок белого света при прохождении через стеклянную призму разлагается на пучки света разного цвета. Цветную полоску называют сплошным спектром.

В 1887 г. Герц при освещении цинковой пластины, соединенной со стержнем электрометра обнаружил явление фотоэлектрического эффекта. Явление испускания электронов вещества под действием электромагнитного излучения названо фотоэффектом.

Объяснение основных законов фотоэффекта, состоящего в вырывании квантами света, названными фотонами, было дано Эйнштейном на основании квантовых представлений. В 1905 г. Эйнштейн перенес идею квантового поглощения и отдачи энергии при тепловом излучении на излучение вообще и таким образом обосновал новое учение о свете. Он применил гипотезу Планка к свету и пришел к выводу, что следует признать корпускулярную структуру света. Он показал, что свет не только поглощается и излучается, но и распространяется квантами.

Квантовая теория света утверждала, что свет есть постоянно распространяющееся в мировом пространстве волновое явление и вместе с тем, свет имеет прерывную структуру. Квантовые представления о свете хорошо согласуются с законами излучения и поглощения света, нос помощью этих представлений нельзя объяснить явления, как интерференция, дифракция и поляризация света. Возникла парадоксальная ситуация: обнаружилось, что свет ведет себя не только как волна но и как поток корпускул (фотоэффект). Длительный путь развития привел к современным представлениям о двойственной корпускулярно-волновой природе света.

Новый радикальный шаг в развитии физики был связан с распространением корпускулярно-волнового дуализма на мельчайшие частицы вещества – электроны, протоны, нейтроны и другие микрообъекты. В конце Х1Х- начале ХХ века ученые признали, что микрочастицы одновременно обладают как свойствами корпускул, так и волн. Было доказано экспериментально, что в определенных условиях элементарные частицы вещества обнаруживают волновые свойства, а частицы поля – свойства корпускул. Электрон ведет себя подобно частице, когда движется во внешнем электрическом или магнитном поле, и подобно волне, когда наблюдается процесс дифракции, при прохождении через кристалл. Наблюдается дифракция и интерференция электронов. Это явление получило название дуализма волны и частицы или корпускулярно-волновой дуализм.