4. Как определили возрасты Солнца, звезд, Вселенной? Каков диапазон временных интервалов во Вселенной?

Предполагается, что возраст Солнца не менее 5 млрд. лет. Такое предположение основано на том, что в соответствии с геологическими данными наша планета существует не менее 5 млрд. лет, а Солнце образовалось еще раньше.

Постановка вопроса о возрастных характеристиках Вселенной в материалистической науке и у астрономов-идеалистов диаметрально противоположна. Последние, в соответствии со своей теорией конечной Вселенной, ставят вопрос о возрасте Вселенной в целом и вычисляют его как время, понадобившееся для расширения от нулевого радиуса до нынешнего, т.е. от полного "небытия" до современного состояния. В связи с этим получается "возраст Вселенной" порядка 15 млрд. лет. В отличие от этого, астрономы-материалисты ставят вопрос о продолжительности жизни и развития отдельных космических тел и их систем, относя этот вопрос соответственно к космогонии солнечной системы, Галактики и Метагалактики. Под возрастом звезды или какого-либо другого космического тела понимается время с того момента, когда это тело приобрело качества, присущие соответствующему классу тел. При этом получается, что наряду с большим количеством звезд, возраст которых достигает нескольких миллиардов лет, наблюдаются молодые звезды, возраст которых часто измеряется всего лишь несколькими миллионами лет.

5. Дайте представление о модели гармонического осциллятора и использовании этой модели. Что такое "когерентность", "резонанс", "поляризация"?

Гармоническим осциллятором называется система, совершающая колебания, описываемые уравнением вида: .

Колебания гармонического осциллятора являются важным примером периодического движения и служат точной или приближенной моделью во многих задачах классической и квантовой физики. Примерами гармонического осциллятора являются пружинный, физический и математический маятники, колебательный контур (для токов и напряжений столь малых, что элементы контура можно было бы считать линейными). Свойство изохронности колебаний маятника использовалось в XVII веке для отчета равных промежутков времени, но колебания затухали, маятник приходилось подталкивать, и не было автоматического счета числа колебаний. Гюйгенс применил маятник в своих часах в качестве регулятора и довел их до практического применения и коммерческого успеха.

Согласованное протекание во времени и пространстве нескольких колебательных или волновых процессов связывают с понятие когерентности. Волны называются когерентными, если разность их фаз остается постоянной во времени. Очевидно, что когерентными могут быть лишь волны, имеющие одинаковую частоту. При наложении в пространстве двух (или нескольких) когерентных волн в разных его точках получается усиление или ослабление результирующей волны в зависимости от соотношения между фазами этих волн. Это явление называется интерференцией волн.

Явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний при равенстве частот вынуждающей силы и собственной частоты колебательной системы называется резонансом. Явление резонанса может быть полезным, поскольку оно позволяет получить даже с помощью малой силы большое увеличение амплитуды колебаний. С другой стороны, резонанс может оказаться вредным и даже опасным.

Явление поляризации, свойственное только поперечным волнам, состоит в следующем: луч света, проходя через два кристалла исландского шпата, подвергался двойному лучепреломлению в зависимости от взаимной ориентации осей кристаллов. Поляризация света – явление, характерное для оптического излучения (и вообще, для всех электромагнитных волн), заключающееся в неэквивалентности различных направлений в плоскости, перпендикулярной световому лучу. Впервые поляризацию света наблюдал Х. Гюйгенс в 1690г.; термин поляризация света введен И. Ньютоном в 1704г. Естественное объяснение поляризация света нашла в электромагнитной теории Дж.К. Максвелла, согласно которой электромагнитные волны поперечны и векторы полей и совершают колебания в плоскости, перпендикулярной лучу, и перпендикулярно друг другу. Световая волна, в которой вектор колеблется все время в одной плоскости (плоскости колебаний), а вектор соответственно в перпендикулярной плоскости (плоскости поляризации), называется линейно-поляризованной. Световая волна, излучаемая обычными источниками света представляет собой хаотический набор волн, в которых векторы и колеблются во всевозможных направлениях в плоскости, перпендикулярной лучу; такой свет называется естественным. С помощью поляризатора (например, поляроида) – прибора пропускающего волны, у которых вектор (и ) колеблется в определенном направлении, - естественный свет превращается в линейно-поляризованный; с помощью второго такого же прибора – анализатора – обнаруживается поляризационное состояние света.

6. Что изучает термодинамика? Что такое "термодинамическая система", "равновесное состояние", "начала термодинамики", идеальный и реальный цикл, коэффициент полезного действия тепловых машин? Пусть пар поступает на турбину при температуре +177С⁰, а окружающий воздух имеет температуру +15С⁰. Определите максимально возможный КПД паровой турбины.

Термодинамика – раздел физики, изучающий общие свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и процессы перехода между этими состояниями. Термодинамика не рассматривает микропроцессы, которые лежат в основе этих превращений. Этим термодинамический метод отличается от статистического. Термодинамика базируется на трех-четырех утверждениях, которые включили в себя огромный опыт человечества по превращению энергии и называются началами термодинамики. Исторически первым установлено второе начало, потом – первое и третье, а последним – нулевое.

Второе начало устанавливает направленность всех процессов в изолированных системах. Кельвин и Клаузиус отделили это начало – хотя полное количество энергии сохраняется в любом процессе, распределение энергии изменяется необратимо. Второе начало называют принципом энтропии. Теплота переходит самопроизвольно только от более нагретых тел к телам, менее нагретым. При этом для направления, в котором происходит изменение распределения энергии, оказывается не важно само количество энергии. Это начало появилось преобразовании теплоты в полезную работу, оно сыграло важнейшую роль в преобразовании энергии, запасенной в топливе, в движущую силу. Ограничения, устанавливаемые вторым началом, показали, что трудно выделить упорядоченное движение из неупорядоченного. В формулировке Кельвина второе начало таково: "Невозможен процесс, единственный результат которого состоял бы в поглощении теплоты от нагревателя и полного преобразования этой теплоты в работу".

Первое начало – это закон сохранения и превращения энергии в изолированной системе, утверждение существования внутренней энергии, поэтому его называют принципом энергии. Энергия утвердилась как основная сохраняющаяся величина в 1847г., когда договорились о терминах Кельвин и Джоуль. Теплота и работа характеризуют способы передачи энергии.

Третье начало определяет свойства веществ при очень низких температурах, утверждая, что нельзя охладить тела до температуры абсолютного нуля за конечное число процессов. Третье начало выделяется из остальных, поскольку предполагает атомное строение вещества. Остальные начала являются обобщением опытных данных и не содержат сведений о какой-либо структуре вещества.

Нулевое начало – это уточнение понятия "температура". Тепловое равновесие существует в том случае, если система А приведена в тепловой контакт с системой В, но результирующие потоки энергии отсутствуют. Для количественной оценки вводится понятие температуры как степени нагретости тел – если системы А и В имеют одинаковую температуру, то системы находятся в тепловом равновесии друг с другом.

Термодинамика имеет дело с термодинамической системой – совокупностью макроскопических тел, которые взаимодействуют и обмениваются энергией как между собой, так и с другими телами (внешней средой). Основа термодинамического метода – определение состояния термодинамической системы.

В любом из самых разнообразных тепловых двигателей можно выделить принципиально важные части, без которых работать двигатель не может, - это нагреватель, рабочее тело, холодильник.

Нагреватель, имеющий температуру Т₁, отдает рабочему телу количество теплоты Q₁. рабочее тело расширяется, совершает работу. Для приведения рабочего тела в исходное состояние оно должно отдать холодильнику некоторое количество теплоты Q₂. полезная работа за цикл равна А, а КПД двигателя .

Задача:

Т₁ = 177С⁰;

Т₂ = 15С⁰;

7. Дайте общую характеристику жидкого состояния. Определите картину процессов при явлениях капиллярности, смачивании, вязкости, поверхностном натяжении. Как объясняют большую теплоемкость воды, большое поверхностное натяжении и свойство капиллярности? Какое значение имеют эти особенности воды в живой природе?

В жидкостях, в отличии от газов, атомы и молекулы расположены близко и практически соприкасаются. Среднее расстояние между центрами молекул в жидкостях, как было установлено, порядка (2-5)∙10^-10 см. в жидкостях межмолекулярное взаимодействие сказывается сильнее, чем в газах, тепловое движение молекул проявляется с слабых колебаниях около положения равновесия и даже перескоках из одного положения в другое. Поэтому в них имеет место только ближний порядок в расположении частиц, т.е. согласованность в расположении только ближайших частиц, и характерная текучесть.

Внутренняя энергия жидкостей состоит из суммы внутренних энергий макроскопических подсистем на которые можно мысленно разделить всю систему, и энергии взаимодействия этих подсистем. Взаимодействие осуществляется через молекулярные силы с радиусом действия порядка 10^-6 мм. Поскольку для макро систем энергия взаимодействия пропорциональна площади соприкосновения, ее называют поверхностной энергией. Обычно она мала, т.к. мала доля поверхностного слоя, но это не обязательно. Обычно жидкости занимают больший объем при равном весе, т.е. имеют меньшую плотность. Но почему объемы льда и висмута уменьшаются при плавлении и даже после точки плавления некоторое время сохраняют эту тенденцию? Получается, что эти вещества в жидком состоянии более плотны. В жидкости на каждый атом действуют его соседи, и он колеблется внутри потенциальной ямы, которую они создают. В отличии от твердого тела, эта яма неглубока, т.к. дальние соседи почти не влияют. Ближайшее окружение частиц в жидкости меняется, т.е. жидкость течет. При достижении определенного значения температуры жидкость закипит, во время кипения температура остается постоянной. Поступающая энергия расходуется на разрыв связей, и жидкость при полном их разрыве превращается в газ.

Плотности жидкостей значительно больше плотностей газов при тех же давлениях и температурах. Хотя простой идеальной модели жидкости пока нет, микроструктура ее достаточно изучена и позволяет качественно объяснить большинство ее макроскопических свойств.

То, что в жидкостях сцепление молекул слабее, чем в твердом теле, заметил еще Галилей; его удивило, что на листьях капусты скапливаются большие капли воды и не растекаются по листу. Так и пролитая ртуть или капли воды на жирной поверхности принимают из-за сцепления форму маленьких шариков. Если молекулы одного вещества притягиваются к молекулам другого вещества, говорят о смачивании. Примеры: клей и дерево, масло и металл. Но вода поднимается в тонких трубочках, называемых капиллярными, и поднимается тем выше, чем тоньше трубка. Иного объяснения, кроме эффекта смачивания воды и стекла, тут не может быть. Силы смачивания между стеклом и водой больше, чем между молекулами воды. Со ртутью – эффект обратный: смачивание ртути и стекла слабее, чем силы сцепления между атомами ртути. Галилей обратил внимание на то, что смазанная жиром иголка может держаться на воде, хотя это противоречит закону Архимеда. Когда иголка плавает, можно заметить небольшой прогиб поверхности воды, который как бы стремиться распрямиться. Силы сцепления между молекулами воды достаточны, чтобы не позволить иголке провалиться в воду. Поверхностный слой подобно пленке защищает воду, это и есть поверхностное натяжение, которое стремиться придать форме воды наименьшую поверхность – шаровую. Но по поверхности спирта иголка уже не будет плавать, поэтому при добавлении спирта в воду уменьшается поверхностное натяжение, и иголка тонет. Мыло тоже уменьшает поверхностное натяжение, поэтому горячая мыльная пена, проникая в трещины и щели, лучше отстирывает грязь, особенно содержащую жир, тогда как чистая вода просто свернулась бы в капельки.