12. Взаимосвязь атомно-молекулярного строения и химических свойств веществ. Периодическая таблица элементов д. И. Менделеева. Трансурановые элементы и их применение в технике и технологиях.

Химические свойства вещества зависят от того, из каких химических элементов оно состоит и от структуры молекул вещества (структурная изомерия) и от пространственной конфигурации молекул (конформация и стереизомерия). Вещества, имеющие одинаковый состав и структуру, имеют одинаковые химические свойства. Изомерия - явление, заключающееся в существовании хим.соединений, одинаковых по составу и молекулярной массе, но разных по строению и расположению атомов в пространстве и вследствие этого по свойствам. Конформация - пространственное расположение атомов в молекуле определенной конфигурации. Стереоизомерия - возникает в результате различий в пространственной конфигурации молекул, имеющих одинаковое химическое строение. Попытки систематизации химических элементов по их химическим свойствам делались многими учеными, начиная с 30-х годов XIX в. Д. И. Менделеев в 1869 г. разработал таблицу, в основу которые положены атомные веса элементов, т. е. число протонов в ядрах атомов. Выяснилось, что химические свойства элементов периодически зависят от этого числа. В 1911 г. Резерфордом была разработана планетарная модель атома. В основе теории лежит представление о закономерностях построения электронных оболочек (уровней) и подоболочек (подуровней) в атомах по мере роста числа протонов в ядре атома Z и, следовательно, числа электронов в оболочках атома. Сходство электронных конфигураций свободных атомов коррелирует с подобием их химического поведения. Химическая связь - это взаимное притяжение атомов, приводящее к образованию молекул и кристаллов. Валентность атомов показывает число связей, образуемых данным атомом с соседними атомами в молекуле. Основными видами химических связей является ковалентная и ионная. В ковалентной связи электроны атомов образуют общую орбиталь. В ионных связях электрон передается от одного атома к другому, и образуются противоположно заряженные атомы. Химические реакции - превращения одних веществ в другие, отличные от исходных по химическому составу или строению. Периодический закон элементов Менделеева: свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра атома (порядкового номера в таблице Менделеева). Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента, а сумма чисел протонов и нейтронов соответствует его массовому числу. Периодическое изменение свойств элементов с увеличением порядкового номера объясняется периодическим изменением числа электронов на их внешних энергетических уровнях. Трансурановые элементы (заурановые элементы, трансураны) — радиоактивные химические элементы, расположенные в периодической системе элементов Д. И. Менделеева за ураном, то есть с атомным номером выше 92. Элементы с атомным номером более 100 называются трансфермиевыми элементами. Одиннадцать из известных трансурановых элементов (93—103) принадлежит к числу актиноидов. Трансурановые элементы с атомным номером более 103 называютсятрансактиноидами, более 120 — суперактиноидами. Все известные изотопы трансурановых элементов имеют период полураспада значительно меньший, чем возраст Земли. Поэтому, хотя теории Острова стабильности и так называемых магических ядер оболочечного строения допускают возможность долгоживущего и стабильного существования даже сверхтяжёлых трансактиноидов, известные трансурановые элементы практически отсутствуют в природе и получаются искусственно посредством различных ядерных реакций. Элементы до фермия включительно образуются в ядерных реакторах в результате захвата нейтронов и последующего бета-распада. Трансфермиевые элементы образуются только в результате слияния ядер. Первые трансурановые элементы были синтезированы в начале 40-х годов XX века в Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли (США) группой учёных под руководством Эдвина Макмиллана и Глена Сиборга, удостоенных Нобелевской премии за открытие и изучение этих элементов.

Применение: некоторые элементы, следующие вслед за ураном, стали объектами радиохимического производства. Примером может служить плутоний-239, первоначально полученный для военных целей в специальных производственных реакторах, а сейчас играющий важную роль и в мирном использовании ядерной энергии для производства электроэнергии. Из других изотопов в качестве малогабаритных источников энергии применяют 238Pu, 242Cm, 244Cm, a 252Cf — как портативный источник нейтронов. Подобные источники из 252Cf используют в настоящее время для автоматизированного активационного анализа пород дна океана. 

11. Основные представления современной химии. Эволюционная химия. Синтез новых материалов и применение новых материалов в технике и технологиях.

Основные представления современной химии: Химия — одна из отраслей естествознания, предметом изучения которой являются химические элементы (атомы), образуемые ими простые и сложные вещества (молекулы), их превращения и законы, которым подчиняются эти превращения. Современная Химия тесно связана как с др. науками, так и со всеми отраслями народного хозяйства. Качественная особенность химической формы движения материи и её переходов в др. формы движения обусловливает разносторонность химической науки и её связей с областями знания, изучающими и более низшие, и более высшие формы движения. Познание химической формы движения материи обогащает общее учение о развитии природы, эволюции вещества во Вселенной, содействует становлению целостной материалистической картины мира. Соприкосновение Х. с др. науками порождает специфические области взаимного их проникновения. Так, области перехода между Х. и физикой представлены физической химией и химической физикой. Между Х. и биологией, Х. и геологией возникли особые пограничные области — геохимия, биохимия, биогеохимия, молекулярная биология. Важнейшие законы Х. формулируются на математическом языке, и теоретическая Х. не может развиваться без математики. Х. оказывала и оказывает влияние на развитие философии и сама испытывала и испытывает её влияние. Эволюционная химия — четвертая концептуальная система химии, связанная с включением в химическую науку принципа историзма и понятия времени, с построением теории химической эволюции материи. Эволюционная химия изучает процессы самоорганизации вещества: от атомов и простейших молекул до живых организмов. Одним из первых открытий, которые относят к эволюционной химии, является эффект самосовершенствования катализаторов в реакциях, исследованный в работах американских химиков А. Гуотми и Р. Каннингем в 1958—1960 гг. В 1964—1969 гг. советский химик А. П. Руденко, учитывая это открытие, создал теорию саморазвития открытых каталитических систем. В работах немецкого химика М. Эйгена была развита теория гиперциклов, объясняющая объединение самовоспроизводящихся макромолекул в замкнутые автокаталитические, химические циклы. Теория гиперциклов является абиогенетической теорией химической эволюции и происхождения жизни. В 1987 году Нобелевский лауреат Жан-Мари Лен, основатель супрамолекулярной химии, ввёл понятие супрамолекулярной самоорганизации и самосборки для описания явлений упорядочения в системах высокомолекулярных соединений. Суперамолекулярной самосборкой является процесс спонтанной ассоциации двух и более компонентов, приводящий к образованию супермолекул или полимолекулярных ансамблей, происходящий за счет нековалентных взаимодействий. Это процесс был описан при изучении спонтанного образования неорганических комплексов (двойных геликатов), протекающего как процесс самосборки. Наиболее известным проявлением самосборки в живой природе является самосборка молекул нуклеиновых кислот, матричный синтез белков. Синтез новых материалов Современную материально-техническую базу производства примерно на 90% составляют всего лишь два вида материалов: металлы и керамика. В мире ежегодно производится около 600 млн. т металла - свыше 150 кг. на каждого жителя планеты. Примерно столько же производится керамики вместе с кирпичом. Однако изготовление металла обходится в сотни и тысячи раз дороже, чем изготовление керамики. И это различие в экономике производства двух видов основных материалов до недавнего времени никого особенно не волновало, потому что каждый из них имел свое строго определенное хозяйственное назначение. Металл оставался материальной основой машиностроения, железных дорог, линий электропередач, производства специальных трубопроводов и емкостей. А керамика служила основой строительства зданий, производства посуды и домашней утвари, тепло - и электроизоляторов. Но теперь все больше открывается возможностей замены металла керамикой по двум причинам: производство керамики намного легче в техническом отношении и выгоднее экономически, и, главное, керамика во многих случаях оказывается более подходящим конструкционным материалом по сравнению с металлом. Преимущества керамики состоят в том, что ее плотность в среднем на 40% ниже плотности металла, и это позволяет снизить массу изготавливаемых из нее деталей машин. С применением новых химических элементов - циркония, титана, бора, германия, хрома, молибдена, вольфрама и т.д. в последнее время синтезируют огнеупорную, термостойкую, химостойкую, высокотвердую керамику, а также керамику с набором заданных электрофизических свойств. В нашей стране впервые в мире в 1960-х годах получен сверхтвердый материал - гексанит-Р как одна из кристаллических разновидностей нитрида бора. Кто бы мог подумать, что на основе бора и азота может быть получено химическое соединение простейшего состава с температурой плавления свыше 3200°С и твердостью, близкой к твердости алмаза. До тех пор сверхтвердым материалом считалось только одно вещество - алмаз; теперь существуют два сверхтвердых материала - алмаз и синтетический гексанит-Р. Кроме того, этот материал обладает рекордно высокой вязкостью, т. е. он не так хрупок, как все другие керамические материалы. Решена, таким образом, одна из труднейших научно-технических проблем века: до сих пор всей конструкционной керамике был присущ общий недостаток - хрупкость, теперь же сделан шаг к его преодолению.

Большое преимущество технической керамики нового состава в том, что детали машин из нее производятся прессованием порошков с получением готовых изделий заданных форм и размеров. Это исключает токарную обработку заготовки, сверление, фрезерование, на что приходится до двух третей трудовых затрат в машиностроении и одной трети потерь металла в отходах. И, наконец, сегодня можно назвать еще одно уникальное свойство керамики - сверхпроводимость при температурах выше температуры кипения азота. Открытие этого свойства керамики произошло благодаря применению для ее производства таких новых для нее химических элементов, как барий, лантан и медь, взятых в едином комплексе. Само по себе это открытие вызвало сенсацию в мире науки и техники. Дело в том, что реализация высокотемпературной сверхпроводимости открывает невиданные просторы для научно-технического прогресса, для создания сверхмощных двигателей и электрогенераторов, создания транспорта на магнитной подушке, разработки сверхмощных электромагнитных ускорителей для вывода полезных грузов в космосе и т.д. История высокотемпературной сверхпроводимости началась с 1986 г., когда было обнаружено сверхпроводящее состояние керамики при температуре 30- 40К. А год спустя была синтезирована керамика с более высокой температурой сверхпроводимости - около 90К. Сравнительно недавно - в 1992 г. получен материал, обладающий сверхпроводящими свойствами уже при 170К. Это означает, что сверхпроводимость в новом материале возникает уже при охлаждении его не жидким азотом, а жидким ксеноном. Данный материал состоит из слоев окиси меди, стронция и кальция, т. е. имеет сравнительно простую структуру. Еще в первой половине XX в. химия знала лишь несколько типов элементоорганических соединений: магнийорганические соединения, цинкоорганические соединения и органические производные металлов. Все они использовались в качестве вспомогательных реагентов при лабораторном синтезе различных органических веществ. Начиная с середины века для синтеза элементоорганических соединений стали применять все новые химические элементы, в частности, алюминий, титан, хром, марганец, ванадий, железо, свинец, олово, кремний, фосфор, серу, мышьяк, фтор. В результате появились целые области элементоорганических соединений, среди которых одни стали поставщиками различных химических реагентов для лабораторных исследований, другие же продолжали пути синтеза уникальных материалов. Так, например, химия кремнийорганических соединений позволила создать многотоннажное производство самых разнообразных полимеров, обладающих огнезащитными, водоотталкивающими, электроизоляционными и другими ценными свойствами. Эти полимеры незаменимы в ряде отраслей энергетики и авиапромышленности. Подлинным "революционером" в химической промышленности стала химия фторорганических соединений. Она открыла настоящий антимир органических веществ по отношению к миру углеводородов, лежащих в основе всей классической органической химии.

Применение новых материалов:

Полимерные материалы (пластмассы) Пластмассы – это материалы на основе природных или синтетических полимеров, способные приобретать заданную форму при нагревании под давлением и устойчиво сохранять ее после охлаждения. Данные материалы можно эксплуатировать при температуре 200 – 400 градусов.

Применение: Главные потребители термостойких пластмасс – авиационная и ракетная техника.

Сверхпрочные и термостойкие материалы. К ним относятся: имплантация ионов, на какой – либо поверхности; плазменный синтез; плавление и кристаллизация в отсутствии гравитации; напыление на поликристаллические, аморфные и кристаллические поверхности с помощью молекулярных пучков; химическая конденсация из газовой фазы в тлеющем плазменном разряде и др.

Применение: Новые технологии позволяют синтезировать более термостойкие материалы.

Тонкопленочные материалы для накопителей информации

Изготовление современных магнитных накопителей большой емкости основано на применении тонкопленочных материалов. Благодаря применению новых магнитных материалов и в результате совершенствовании технологии изготовления всех тонкопленочных элементов магнитного накопителя за относительно короткий срок поверхностная плотность записи информации увеличилась в пять раз.

Применение: современные технические средства записи, накопления и хранения информации.

13. Химические связи, химическое равновесие и принцип Ле Шателье. Экзотермические и эндотермические реакции и их применение в технике и технологиях. Химическая связь — явление взаимодействия атомов, обусловленное перекрыванием электронных облаков связывающихся частиц, которое сопровождается уменьшением полной энергии системы. Химическое равновесие — состояние химической системы, в котором обратимо протекает одна или несколько химических реакций, причём скорости в каждой паре прямая - обратная реакция равны между собой. Для системы, находящейся в химическом равновесии, концентрации реагентов, температура и другие параметры системы не изменяются со временем. Принцип Ле Шателье - Брауна: Положение химического равновесия зависит от следующих параметров реакции: температуры, давления и концентрации. Факторы, влияющие на химическое равновесие:1) Температура. При увеличении температуры химическое равновесие смещается в сторону эндотермической (поглощение) реакции, а при понижении в сторону экзотермической (выделение) реакции. CaCO3=CaO+CO2 -Q t↑ →, t↓ ←N2+3H2↔2NH3 +Q t↑ ←, t↓ →2) Давление. При увеличении давления химическое равновесие смещается в сторону меньшего объёма веществ, а при понижении в сторону большего объёма. Этот принцип действует только на газы, т.е. если в реакции участвуют твердые вещества, то они в расчет не берутся. CaCO3=CaO+CO2 P↑ ←, P↓ →1моль=1моль+1моль3) Концентрация исходных веществ и продуктов реакции. При увеличении концентрации одного из исходных веществ химическое равновесие смещается в сторону продуктов реакции, а при увеличении концентрации продуктов реакции в сторону исходных веществ.S2+2O2=2SO2 [S],[O]↑ →, [SO2]↑ ← Катализаторы не влияют на смещение химического равновесия. Эндотермические реакции - реакции, сопровождающиеся выделением теплоты. К таким реакциям относятся реакции разложения молекул на свободные атомы, восстановление металлов из руд, фотосинтез в растениях. Экзотермические реакции - реакции, сопровождающиеся выделением теплоты. Такими реакциями являются горение, нейтрализация. Применение: в ресурсоэнергосберегающих технологиях, в химической, военной, строительной, пищевой, горнодобывающей промышленности.

15. Современные представления об эволюции Вселенной, галактик, звезд и звездных систем. Вселенная - весь существующий материальный мир безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе всего развития. Существует концепция большого взрыва: предполагается, что плотность вещества вселенной была сравнимой с плотностью атомного ядра, и вся вселенная представляла собой ядерную каплю, по каким-то причинам капля взорвалась. Так и образовались вселенная и все ее объекты. Существует гипотеза пульсирующей вселенной: вселенная не всегда расширялась, а пульсировала между конечными пределами плотности. Существует так же мнение, с самого начала плотное вещество, из которого впоследствии образовалась Вселенная, с гигантской скоростью начало расширяться. На начальной стадии это плотное вещество разлетелось, разбегалось во всех направлениях и представляло собой однородную бурлящую смесь неустойчивых, постоянно распадающихся при столкновении частиц. Остывая и взаимодействуя на протяжении миллионов лет, вся эта масса рассеянного в пространстве вещества концентрировалась в большие и малые газовые образования, которые в течение сотен миллионов лет, сближаясь и сливаясь, превращались в громадные комплексы. В них в свою очередь возникали более плотные участки – там, впоследствии и образовались звёзды и даже целые галактики. Существует концепция самоорганизации вселенной: все объекты вселенной были «рождены» из физического вакуума. Галактики - это громадные звездные системы, содержащие десятки, сотни миллиардов звезд. Звезда — небесное тело, в котором идут, шли или будут идти термоядерные реакции. Но чаще всего звездой называют небесное тело, в котором идут в данный момент термоядерные реакции. Звезды рождаются из космического вещества в результате его конденсации под действием гравитационных, магнитных и других сил. Под влиянием сил всемирного тяготения из газового облака образуется плотный шар — протозвезда, эволюция которой проходит три этапа. Первый этап эволюции связан с обособлением и уплотнением космического вещества. Второй представляет собой стремительное сжатие протозвезды. В какой-то момент давление газа внутри протозвезды возрастает, что замедляет процесс ее сжатия, однако температура во внутренних областях пока остается недостаточной для начала термоядерной реакции. На третьем этапе протозвезда продолжает сжиматься, а ее температура — повышаться, что приводит к началу термоядерной реакции. Давление газа, вытекающего из звезды, уравновешивается силой притяжения, и газовый шар перестает сжиматься. Образуется равновесный объект — звезда. Такая звезда является саморегулирующейся системой. Если температура внутри не повышается, то звезда раздувается. В свою очередь, остывание звезды приводит к ее последующему сжатию и разогреванию, ядерные реакции в ней ускоряются. Таким образом, температурный баланс оказывается восстановлен. Процесс преобразования протозвезды в звезду растягивается на миллионы лет, что сравнительно немного по космическим масштабам.

14. Естественно - научные основы лазерных технологий. Особенности лазерного излучения. Применение лазеров в технике и технологиях. Лазер – устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения. Само слово лазер составлено из первых букв английского словосочетания, означающего усиление света в результате вынужденного излучения. Особенности лазерного излучения: Узконаправленность лазерного излучения (лазерный луч распространяется почти не расширяясь). Монохромотичность – лазерное излучение имеет только одну длину волны. Самый мощный источник энергии. Самый мощный источник света в узком интервале спектра. Когерентность. В физике существует 2 типа когерентности - пространственная и временная. Пространственная когерентность выражается в однотипности волнового фронта, т. е. пики и спады волн располагаются параллельно, когда свет выходит из лазера. Это обеспечивает синхронизацию фаз и фокусировку на очень маленькие участки. Коллимация. Это означает, что все лучи, испускаемые лазером, параллельны и не рассеиваются с расстоянием. Применение лазерного излучения в технике и технологиях: Проигрыватели компакт-дисков, лазерные принтеры, устройства для считывания штрих-кода, лазерные указки. В промышленности лазеры используются для резки, сварки, пайки деталей. Луч лазера может быть сфокусирован в точку диаметром порядка микрона, что позволяет использовать его в микроэлектронике. Лазеры используются для получения поверхностных покрытий материалов с целью повышения их износостойкости. Лазерная маркировка промышленных образцов и гравировка изделий из различных материалов. Лазеры применяются в голографии для создания самих голограмм и получения голографического объёмного изображения. Лазерная локация (применяется в измерительной технике). Медицина и косметология (применяются как бескровные скальпели, используются при лечении офтальмологических заболеваниях, лазерная эпиляция, лечение сосудистых и пигментных дефектов кожи, лазерный пилинг, удаление татуировок и пигментных пятен). Разные области применения налагают специфические для этой области требования к лазерам: для сварки, резки и сверления металлов необходимы мощные лазеры непрерывного действия, а для исследования быстропротекающих процессов - лазеры, излучающие очень короткие, но энергичные импульсы, и т.д. В частности, для связи и обработки информации желательно иметь миниатюрные, но довольно мощные импульсные или непрерывные лазеры.

16. Солнечная система. Законы небесной механики – закон Кеплера. Солнечно – земные связи. Учение А.Л.Чижевского. Ракетно-космические технологии.1) Солнечная система — планетная система, включающая в себя центральную звезду — Солнце — и все естественные космические объекты, обращающиеся вокруг Солнца.К естественным космическим объектам относятся звёзды, планеты и их естественные спутники, астероиды, кометы и т. п. Искусственные космические объекты — космические аппараты, последние ступени ракет-носителей и их части.В настоящее время считается, что в Солнечную систему входит 8 больших планет (Плутон, ранее считавшийся девятой планетой, был исключён из списка планет из-за своего слишком маленького размера). Эти планеты, по степени удаления от Солнца - Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Самой большой из планет является Юпитер, но даже он намного меньше Солнца по размерам и массе.Четыре меньшие внутренние планеты: Меркурий, Венера, Земля и Марс (также называемые планетами земной группы), состоят в основном из силикатов и металлов. Четыре внешние планеты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, также называемые газовыми гигантами, в значительной степени состоят из водорода и гелия и намного массивнее, чем планеты земной группы.2) Заслуга открытия законов движения планет принадлежит выдающемуся австрийскому ученому Кеплеру. В начале XVII в. Кеплер установил три закона движения планет. Они названы законами Кеплера.Законы Кеплера — три эмпирических соотношения, интуитивно подобранных Иоганном Кеплером на основе анализа астрономических наблюдений Тихо Браге. Описывают идеализированную гелиоцентрическую орбиту планеты.Первый закон Кеплера (закон эллипсов): каждая планета Солнечной системы обращается по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. Форма эллипса и степень его сходства с окружностью характеризуется отношением e =  , где c — расстояние от центра эллипса до его фокуса (половина межфокусного расстояния), a — большая полуось. Величина   называется эксцентриситетом эллипса. При c = 0, и, следовательно, e = 0,эллипс превращается в окружность.Второй закон Кеплера (закон площадей): каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр Солнца, причём за равные промежутки времени радиус-вектор, соединяющий Солнце и планету, описывает равные площади.Третий закон Кеплера (гармонический закон): квадраты периодов обращения планет вокруг Солнца относятся, как кубы больших полуосей орбит планет. Справедливо не только для планет, но и для их спутников.

, где   и   — периоды обращения двух планет вокруг Солнца, а   и   — длины больших полуосей их орбит.

3) Солнечно-земные связи – система прямых или опосредованных физ. связей между процессами на Солнце и Земле. Влияние Солнца на Землю многогранно и неоднозначно (обратное влияние Земли на Солнце ничтожно мало). Прежде всего, Земля непрерывно получает от Солнца почти неизменный поток энергии, обеспечивающий наблюдаемый уровень освещённости и ср. температуру её поверхности. Кроме того, Земля подвергается комбинированному воздействию излучений от нестационарных солнечных процессов (солнечных возмущений) - проявлений солнечной активности. Земля получает от Солнца не только свет и тепло, обеспечивающие необходимый уровень освещённости и среднюю температуру её поверхности, но и подвергается комбинированному воздействию ультрафиолетового и рентгеновского излучения, солнечного ветра, солнечных космических лучей. Вариации мощности этих факторов при изменении уровня солнечной активности вызывают цепочку взаимосвязанных явлений в межпланетном пространстве, в магнитосфере, ионосфере, нейтральной атмосфере, биосфере, гидросфере и, возможно, литосфере Земли. Изучение этих явлений и составляет суть проблемы Солнечно-Земных связей. Важнейшие из них – солнечные вспышки, – внезапные плазменные взрывы на Солнце, начинающиеся обычно в его хромосфере и привносящие в Солнечную систему огромную дополнительную энергию. Наиболее мощные события равносильны взрывам миллионов атомных бомб. Во время солнечных вспышек поток энергии внезапно возрастает в десятки раз. Встречаясь с геомагнитным полем, он образует ударную волну, которая деформирует земную магнитосферу и вызывает магнитную бурю на Земле. Статистически установлена связь между уровнями солнечной и геомагнитной возмущённости и ходом ряда процессов в биосфере Земли (динамикой популяции животных, эпидемий, эпизоотий, количеством сердечнососудистых кризов и др.). Наиболее вероятной причиной такой связи являются низкочастотные колебания электромагнитного поля Земли. Это подтверждается лабораторными экспериментами по изучению действия электромагнитных полей естественной напряжённости и частоты на млекопитающих.Экологические условия нашей среды обитания существенно зависят от вариаций солнечного излучения, в первую очередь, от потока электромагнитных волн. Основная доля излучаемой Солнцем энергии приходится на видимую часть спектра, эта область спектра вносит основной вклад в энергетику атмосферы Земли. 4) Учение А.Л.Чижевского. В 1931 году А.Л. Чижевский выдвинул проблему аэроионификации - электротехническую задачу искусственного создания внутри помещений такого электрического режима, который имеет воздух лучших местностей, славящихся благотворным действием на человека.  Согласно его учению, воздух, лишенный ионов, подобен пище без витаминов или воде без минеральных солей. Воздух с дефицитом АИ (Аэроионов), его электрическая недостаточность ведут к гипоксии со всеми вытекающими последствиями. АИ образуются под влиянием радиоактивного излучения почвы, космических лучей, электрических разрядов грозы и т.п. Молекулы кислорода захватывают электроны и приобретают отрицательный заряд. Именно отрицательные АИ кислорода и обладают повышенной биологической активностью. Они - те “витамины”, без которых воздух мертв. Электричество растворено в воздухе, и мы впитываем его при дыхании. Люди и животные - электрические существа, ибо все процессы обмена в организме являются электрохимическими. Проблема аэроионификации глобальна и является одним из величайших открытий 20-го столетия. Аэроионизаторы Чижевского должны войти в нашу жизнь, как водопровод и электрическое освещение.  Основное применение ионизаторов - создание в помещениях оптимальной концентрации отрицательно заряженных аэроионов, которые необходимы для нормальной жизнедеятельности. 5) Ракетно-космические технологии – технологии, связанные с разработкой ракетной техники, осуществлением космических полетов, проведением различных экспериментов в космосе, созданием космических информационных систем, астрономическими исследованиями в космосе и т.д.К.Э.Циолковский (1857-1935) – русский ученый, изобретатель, основоположник космонавтики 1903 г. – «Исследование мировых пространств реактивными приборами» - его работа, где впервые доказал, что аппаратом, способным совершить космический полет, является ракета. далее он разрабатывал идеи теории ракет и использование жидкостного ракетного двигателя. Вычислил космич. скорости, сколько нужно взять топлива в ракету, чтобы получить скорость отрыва и покинуть землю.Реактивная сила – сила, возникающая в результате взаимодействия двигательной установки с истекающей из сопла струёй расширяющихся жидкостей/газов, обладающих кинетической энергией. E Применение ракетно-космических технологий (вакуум, невесомость):

• можно создать сверхчистые полупроводниковые кристаллы;

• синтез веществ;

• производство различных лекарств;

• создание сверходнородных сплавов.

18. Самоорганизация в живой и неживой материи. Синергетика и ее применение в технике и технологиях. Синергетика - самоорганизация системы. Системы бывают открытые и закрытые (замкнутые).Открытые системы – те системы, которые могут с внешней средой обмениваться какими-либо характерами. Закрытые системы – системы, которые с внешней средой не обмениваются какими-либо характерами. Природные системы делятся на деградацию и самоорганизацию. Деградация – это распад, разложение систем. Самоорганизация: I этап – эволюционный - количественное, но не качественное изменение, преобладает закономерность. II этап – фазовый переход. В результате фазового перехода система случайным образом скачкообразно переходит через неустойчивость в состояние с большей организацией, упорядоченностью, преобладает случайность.Точка бифуркации - это точка, в которой происходит разделение траектории движения тела или разветвление путей развития системы. Синергетика – это наука о самоорганизующихся системах.Самоорганизующиеся системы – это системы, которые в ходе своего развития способны к созданию все более сложных и упорядоченных структур. Синергетика разрабатывает общие принципы управления этими системами. Пример: Земля, Солнце, человек, банковская система, рыночная экономика и т.д.Доп. информация не из лекции:Синергетика применяется в микромашинах, нанотехнологии, в создании квантовых компьютеров, в биотехнологии для системного синтеза, в экономике, атмосферных явлениях, в геноме живых организмов, в системах искусственного интеллекта и т.д.

19. Основные понятия термодинамики. Первое и второе начало термодинамики. Термодинамика — раздел физики, изучающий соотношения и превращения теплоты и других форм энергии. В отдельные дисциплины выделились химическая термодинамика, изучающая физико-химические превращения, связанные с выделением или поглощением тепла, а также теплотехника.Основные понятия термодинамики Термодинамическая система – тело или группа тел, находящихся во взаимодействии, мысленно или реально обособленные от окружающей среды. Гомогенная система – система, внутри которой нет поверхностей, разделяющих отличающиеся по свойствам части системы (фазы). Гетерогенная система – система, внутри которой присутствуют поверхности, разделяющие отличающиеся по свойствам части системы. Фаза – совокупность гомогенных частей гетерогенной системы, одинаковых по физическим и химическим свойствам, отделённая от других частей системы видимыми поверхностями раздела. Изолированная система – система, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией. Закрытая система – система, которая обменивается с окружающей средой энергией, но не обменивается веществом. Открытая система – система, которая обменивается с окружающей средой и веществом, и энергией.Совокупность всех физических и химических свойств системы характеризует её термодинамическое состояние. Все величины, характеризующие какое-либо макроскопическое свойство рассматриваемой системы – параметры состояния. Всякое изменение термодинамического состояния системы есть термодинамический процесс. Перечислим основные параметры состояния вещества:Температура тел - определяет направление возможного самопроизвольного перехода тепла между телами.Давление - представляет собой силу, действующею по нормали к поверхности тела и отнесенную к единице площади этой поверхности.Плотность – отношение массы вещества к объему занимаемому эти веществом.Удельный объем - величина обратная плотности т.е. отношения объема занятого веществом к его массе.Обратимый процесс – процесс, допускающий возможность возвращения системы в исходное состояние без того, чтобы в окружающей среде остались какие-либо изменения.Равновесный процесс – процесс, при котором система проходит через непрерывный ряд равновесных состояний.Энергия – мера способности системы совершать работу; общая качественная мера движения и взаимодействия материи. Энергия является неотъемлемым свойством материи. Различают потенциальную энергию, обусловленную положением тела в поле некоторых сил, и кинетическую энергию, обусловленную изменением положения тела в пространстве.Внутренняя энергия системы – сумма кинетической и потенциальной энергии всех частиц, составляющих систему. Можно также определить внутреннюю энергию системы как её полную энергию за вычетом кинетической и потенциальной энергии системы как целого.Работа – энергетическая мера направленных форм движения частиц в процессе взаимодействия системы с окружающей средой.Теплота – энергетическая мера хаотических форм движения частиц в процессе взаимодействия системы с окружающей средой.Теплота и работа характеризуют качественно и количественно две различные формы передачи движения от данной части материального мира к другой. Теплота и работа не могут содержаться в теле. Теплота и работа возникают только тогда, когда возникает процесс, и характеризуют только процесс. В статических условиях теплота и работа не существуют. Различие между теплотой и работой, принимаемое термодинамикой как исходное положение, и противопоставление теплоты работе имеет смысл только для тел, состоящих из множества молекул, т.к. для одной молекулы или для совокупности немногих молекул понятия теплоты и работы теряют смысл. Поэтому термодинамика рассматривает лишь тела, состоящие из большого числа молекул, т.е. так называемые макроскопические системы.Первое начало термодинамикиПервое начало термодинамики устанавливает  внутренняя энергия системы является однозначная функция ее состояния и изменяется только под влиянием внешних воздействий.В термодинамике рассматриваются два типа внешних взаимодействий: воздействие, связанное с изменением внешних параметров системы (система совершает работу  W), и воздействие не связанные с изменением внешних параметров и обусловленные изменением внутренних параметров или температуры (системе сообщается некоторое количество теплоты  Q ). Поэтому, согласно первому началу, изменение внутренней энергии  U₂-U₁ системы при ее переходе под влиянием этих воздействий из первого состояния во второе равно алгебраической сумме   Q и W  , что для конечного процесса запишется в виде уравнения: 

                        U₂  -  U₁  =  Q  -  W       или      Q  =  U₂  -  U₁  +  W      Первое начало формируется как постулат и является обобщением большого количества опытных данных. Для элементарного процесса уравнение первого начала  такого:

                                       dQ = dU + dW    (1.2)

   dQ  и  dW  не являются полным дифференциалом, так как зависят от пути следования. Зависимость Q и W от пути видна на простейшем примере расширение газа. Работа совершенная системой при переходе ее из состояния 1 в 2 (рис. 1) по пути а  изображается площадью, ограниченной контуром   А1а2ВА:

                           W_а =  p(V,T) dV; а работа при переходе  по пути  в - площадью ограниченную контуром   А1в2ВА:

                          W_b  =  p(V,T) dV.

Рис. 1

   Поскольку давление зависит не только от объема, но и от температуры, то при различных изменениях температуры на пути   а  и   в   при переходе одного и того же начального состояния (p₁,V₁) в одно и тоже конечное (p₂,V₂)  работа получается разной. Отсюда видно , что при замкнутом процессе (цикле) 1а2в1  система совершает работу не равную нулю. На этом основана работа всех тепловых двигателей.

   Из первого начала термодинамики следует, что работа может совершаться или за счет изменения внутренней энергии , или за счет сообщения системе количества теплоты . В случае если процесс круговой , начальное и конечное состояние совпадают  U₂- U₁= 0  и W = Q, то есть работа при круговом процессе может совершаться только за счет получения системой теплоты от внешних тел .

19

Первое начало можно сформулировать в нескольких видах:

1.Невозможно возникновение и уничтожение энергии.

2.Любая форма движения способна и должна превращаться в любую другую форму движения.

3.Внутренняя энергия является однозначной формой состояния.

4.Вечный двигатель первого рода невозможен.

5.Бесконечно малое изменение внутренней энергии является полным дифференциалом.

6.Сумма количества теплоты и работы не зависит от пути процесса.

   Первый закон термодинамики,  постулируя   закон    сохранения энергии для термодинамической системы. не указывает направление происходящих  в природе процессов. Направление термодинамических процессов устанавливает второе начало термодинамики.

Второе начало термодинамики

   Второе начало термодинамики устанавливает наличие в природе фундаментальной асимметрии, т.е. однонаправленности всех происходящих в ней самопроизвольных процессов.

   Второй основной постулат термодинамики связан так же с другими свойствами термодинамического равновесия как особого вида теплового движения. Опыт показывает, что если две равновесные системы А и В привести в тепловой контакт, то независимо от различия или равенства у них внешних параметров они или остаются по прежнему в состоянии термодинамического равновесия, или равновесие у них нарушается и спустя некоторое время в процессе теплообмена (обмена энергией) обе системы приходят в другое равновесное состояние. Кроме того, если имеются три  равновесные системы А,В и С и если системы А и В порознь находятся в равновесии с системой С, то системы А и В находятся в термодинамическом равновесии и между собой (свойства транзитивности термодинамического равновесия).

   Пусть имеются две системы. Для того, чтобы убедится в том, что они находятся в состоянии термодинамического равновесия надо измерить независимо все внутренние параметры этих систем и убедиться в том, что они постоянны во времени. Эта задача чрезвычайно трудная.

   Оказывается, однако, что имеется такая физическая величина, которая позволяет сравнить термодинамические состояния двух систем и двух частей одной системы без подробного исследования и внутренних параметров. Эта величина, выражающая состояние внутреннего движения равновесной системы, имеющая одно и то же значение у всех частей сложной равновесной системы независимо от числа частиц в них и определяемое внешними параметрами и энергией называется  температурой.

   Температура является интенсивным параметром и служит мерой интенсивности теплового движения молекул.

   Изложенное положение о существовании температуры как особой функции состояния равновесной системы представляет второй постулат термодинамики.

     Р.Фаулер и Э.Гуггенгейм назвали его нулевым началом, так как оно подобно первому и второму началу, определяющим существование некоторых функций состояния, устанавливает существование температуры у равновесных систем.   Итак, все внутренние параметры равновесной системы являются функциями внешних параметров и температур (Второй постулат термодинамики).

   Выражая температуру через внешние параметры и энергию, второй постулат можно сформулировать в таком виде: при термодинамическом равновесии все внутренние параметры являются функциями внешних параметров и энергии.

   Второй постулат позволяет определить изменение температуры тела по изменению какого либо его параметра, на чем основано устройство различных термометров.

20. Синтез органических и неорганических соединений. Биосинтез. Применение синтезированных соединений в технике и технологиях. В процессе развития производства для различных систем и технических устройств требуются материалы с различными свойствами, работающими в разных внешних условиях и подвергающихся различным внешним воздействиям. В последние десятилетия широкое применение стали находить искусственные органические материалы, обладающие разнообразными свойствами, многие из которых можно задавать при их производстве, получая материалы с наперед заданными свойствами. Органические вещества — это соединения углерода с другими веществами. Углерод образует соединения с большинством элементов и обладает наиболее выраженной способностью к образованию молекул цепного и циклического строения. Скелет таких молекул может состоять из практически неограниченного числа атомов углерода, непосредственно соединенных друг с другом и включать в себя и другие элементы. Для соединений углерода характерно явление изомерии, т. е. существование веществ, одинаковых по составу и молекулярной массе, но различающихся последовательностью сцепления атомов или расположением их в пространстве и поэтому различных по физическим и химическим свойствам. Все органические вещества делятся на три класса:  ациклические — соединения с незамкнутыми цепями (метановые углеводороды — насыщенные углеводороды, ненасыщенные углеводороды — этилен, ацетилен и др.);  изоциклические, в молекулах которых имеются циклы из атомов углерода (циклопарафиновые или полиметиленового ряда, а также ароматические углеводороды); гетероциклические, в молекулах которых имеются циклы, содержащие кроме углерода атомы О, N, S, Р, Аs и другие. От каждого углеводорода образуется целый генетический ряд путем замены атома водорода иной функциональной группой. Основным поставщиком органических веществ в природе являются растительный и животный мир. Растения усваивают из атмосферы углекислый газ и при помощи хлорофилла, содержащегося в листьях, и солнечной энергии образуют органические вещества, являющиеся строительным материалом для самих растений. Животные, поедая растения, накапливают органические вещества в своем теле, которые затем после гибели животных, переходят в почву, разлагаются, а затем также поглощаются растениями. В результате развития органической химии оказалось возможным создание широкого спектра искусственных органических веществ, которые нашли применение в технике, медицине, биологии. Полимеры — это химические соединения с высокой молекулярной массой, молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся группировок. Природными полимерами (биополимерами) являются белки, нуклеиновые кислоты, природные смолы. Синтетическими полимерами искусственного происхождения являются всякого рода производные от углеводородов — полиэтилены, полипропилены, фенолоформальдегидные смолы и т. п. Пластмассы (пластические массы) — это материалы, содержащие в своем составе полимер, который в период формирования изделий находится в вязко текущем или высокопластичном состоянии, а при эксплуатации — в стеклообразном или кристаллическом состоянии. В зависимости от характера процессов, сопутствующих формированию изделий, пластмассы делятся на реактопласты и термопласты. Реактопласты — это материалы, переработка в изделия которых сопровождается химической реакцией образования сетчатого полимера — отвердением; при этом пластик необратимо утрачивает способность переходить в вязко текучее состояние. При формировании термопластов не происходит отверждения, и материал в изделии сохраняет способность вновь переходить в вязко текучее состояние. Биосинтез — процесс синтеза природных органических соединений живыми организмами. Путь биосинтеза соединения — это приводящая к образованию этого соединения последовательность реакций, как правило, ферментативных (генетически детерминированных), но изредка встречаются и спонтанные реакции, обходящиеся без ферментативного катализа. Например, в процессе биосинтеза лейцина одна из реакций является спонтанной и протекает без участия фермента.