- •№1 Роль естествознания в формирования профессиональных знаний. Естествознание, экономика и проблемы управления.
- •№2 №3 Фундаментальные и прикладные проблемы естествознания.
- •№4 Естествознание как основа научного мировоззрения. Особенности естествено-научной истины. Естественные науки и философия.
- •Естественно-научные и религиозные знания
- •Эксперимент и теория. Наблюдения и измерения. Современные технические средства измерений. Основные характеристики измерительных приборов. Единицы измерения.
- •Физика - фундаментальная наука о природе. Основные этапы развития физики. Единство природы и универсальность физических законов.
- •Фундаментальные понятия физики: материя, движение, пространство и время. Виды материи. Концепции симметрии, эфира и физического вакуума.
- •Виды фундаментальных взаимодействий. Универсальные физические постоянные.
- •Микро-, макро- и мегамир.Человек и вселенная.
- •Структурные уровни организации материи.
- •Корпускулярная и континуальная концепции описания природы (атомы, поле, кванты). Развитие концепции атомизма.
- •Тождественность микрообъектов и индивидуальность макросистем.
- •Проблема построения единой фундаментальной теории в физике.
- •Развитие концепций движения, пространства и времени
- •Основная задача классической механики и границы ее применимости.
- •Принцип причинности и лапласовский детерминизм.
- •Становление специальной теории относительности
- •Связь между массой и энергией
- •Симметрия пространства-времени, законы сохранения.
- •Развитие представлений о природе тепловых явлений и свойств макросистем.
- •Уравнение состояния идеального газа.
- •Второе начало (закон) термодинамики. Концепция энтропии и закон её возрастания.
- •Основные принципы действия тепловых машин. Цикл Карно и теорема Карно.
- •Необратимость свойство реальных процессов. Статистический характер энтропии. Хаос, структура и порядок макросистем. Проблема тепловой смерти.
- •Основные характеристики колебательных и волновых процессов. Типы колебаний и волн. Резонанс.
- •Виды электромагнитных излучений. Спектры излучений и их характеристики.
- •Тепловое (равновесное) излучение электромагнитных волн. Гипотеза Планка. Двойственная природа света и ее проявления.
- •Корпускулярно-волновой дуализм микрообъектов. Квантово-механическое описание процессов в микромире. Волны де Бройля и волновая функция.
- •Соотношение неопределенностей в квантовой теории. Постоянная Планка. Вероятностный характер микропроцессов.
- •Неразличимость микрочастиц. Спин. Принцип Паули. Фермионы и бозоны.
- •Строение атомов. Квантовые числа. Механизм излучения электромагнитных волн атомами и молекулами. Спонтанное и вынужденное излучение.
- •№38 №39 Атомные ядра и нуклоны. Изотопы. Дефект массы и энергия связи ядер. Деление ядер и термоядерный синтез. Цепная реакция.
- •Основные понятия синергетики и принципы самоорганизации открытых систем. Необходимые условия самоорганизации. Уровни самоорганизации в природе. Бифуркации и катастрофы.
- •Критерии естественно-научной концепции развития.
- •Строение и эволюция Вселенной. Разбегание галактик. Закон Хаббла. Возраст Метагалактики и космологический горизонт.
- •Концепция «большого взрыва». Первичный (космологический) нуклеосинтез и реликтовое излучение.
- •Тонкая подстройка Вселенной и антропный принцип в космологии. Проблема поиска внеземных цивилизаций.
- •Происхождение галактик и звёзд. Строение нашей Галактики. Эволюция звёзд. Синтез химических элементов в звёздах. Сверхновые и квазары.
- •Происхождение и состав Солнечной системы. Исследования планет космическими аппаратами.
- •Строение Земли. Вулканизм и землетрясения. Тектоника материков. Атмосфере Земли, климат и погода.
- •Развитие учения о строении вещества.
- •Периодическая система элементов д.И. Менделеева.
- •Принцип паули
- •Рспространенность химических элементов во вселенной и на земле
- •Химическая связь и структура химических соединений. Синтез новых материалов.
- •Разновидности химических процессов
- •Эволюция и самоорганизация химических систем. Макромолекулы и зарождение органической жизни.
- •Химические процессы и процессы жизнедеятельности. Катализ. Ферменты. Освоение каталитического опыта живой природы.
- •Возможности современных биотехнологий. Клонирование и проблемы воспроизведения живых организмов.
- •Особенности биосферного уровня организации материи. Развитие традиционных принципов в биологии. Живое и неживое.
- •Структурные уровни организации материи в биологии. Принципы систематики простейших организмов, растений и животных.
- •Строение и функции живой клетки. Основополагающие жизненные процессы в организмах.
- •1. Криптозой
- •2. Фанерозой
- •Космическое и внутрипланетарное воздействие на биосферу. Влияние радиоактивных излучений на развитие биосферы.
- •Концепция биосферы в.И.Вернадского. Человек и биосфера. Трансформация биосферы в ноосферу.
- •Естественно-научная база современных информационных технологий. Современные средства накопления, хранения и передачи информации.
- •Поколения эвм и возможности персональных компьютеров. Современные мультимедийные системы и виртуальный мир.
- •Естественно-научные концепции развития микроэлектронных и лазерных технологий.
- •Естественно-научные проблемы современной энергетики. Традиционные и нетрадиционные источники энергии.
- •Стратегия развития энергетики. Атомная энергетика сегодня и завтра. Энергетика будущего.
- •Демографические проблемы человечества. Обеспечение питанием населения Земли.
- •Загрязнение окружающей среды и проблема защиты озонового слоя.
- •Загрязнение окружающей среды и проблемы защиты озонового слоя.
- •Основные экологические проблемы городов и особенно мегаполисов. Экология и здоровье человека.
- •Дозы облучения. Безопасные и летальные дозы для людей. Мощность дозы. Естественный радиационный фон.
- •Клинические последствия радиоактивного облучения для человека в зависимости от дозы и характера воздействия радиации. Способы защиты от радиоактивных излучений.
- •Перемены в базисных отраслях промышленности. Новая техносфера и окружающая среда.
Основные принципы действия тепловых машин. Цикл Карно и теорема Карно.
Основные части тепловой машины.Выясним, какие основные части должна иметь тепловая машина, предназначенная для совершения механической работыА'за счет количества теплотыQ,полученного при сжигании топлива. Обычно в тепловых машинах механическая работа совершается расширяющимся газом. Газ, совершающий работу при расширении, называетсярабочим телом.Рабочим телом часто служит воздух или водяные пары. Расширение газа происходит в результате повышения его температуры и давления при нагревании. Устройство, от которого рабочее тело получает количество теплоты Q,называетсянагревателем.
Упрощенная модель тепловой машины, состоит из цилиндра, заполненного воздухом, и поршня.
Поместим на поршень тело массой т,предварительно приняв меры против сжатия газа в цилиндре под действием груза (например, установив специальные упоры внутри цилиндра, предотвращающие дальнейшее опускание поршня). Расположим под цилиндром нагреватель. По мере нагревания газа в цилиндре его давление возрастает, однако объем остается неизменным до тех пор, пока при некотором значении температуры Т2 давление не достигнет значениярг,при котором вес поршня с грузомmg и сила атмосферного давления, равнаяp1S,уравниваются с силой давления газа на поршеньргS.Этому процессу соответствует изохора.
При дальнейшем нагревании газа поршень придет в движение. Давление поршня с грузом на газ остается постоянным, поэтому расширение происходит по изобарному закону. При подъеме груза на высоту hобъем газа в цилиндре увеличивается от V1доV2,температура в конце изобарного процесса расширения газа достигает значения Тз. Этому процессу соответствует изобара. Когда поршень коснется ограничителя в верхней части цилиндра, снимем груз и прекратим нагревание. Цель достигнута, груз поднят. Однако подобная машина одноразового действия не представляет интереса для практики. Чтобы поднять другой груз, необходимо опустить поршень, т. е. сжать газ. Но если сжимать газ при температуре Тз до объемаV1,то работа, совершаемая при сжатии газа, окажется больше работы, совершенной газом при изобарном расширении. Следовательно, таким путем не удастся осуществить периодический процесс совершения механической работы засчет передачи теплоты от нагревателя рабочему телу машины. Для уменьшения работы, совершаемой при сжатии газа в цилиндре, его нужно перед сжатием охладить. Тогда сжатие будет происходить при давленииp1 меньшемрг,и работа, совершаемая при сжатии, окажется меньше работы, совершенной газом при расширении. Следовательно, для периодической работы тепловой машины необходима еще одна часть машины, называемаяхолодильником.
Рабочий цикл тепловой машины.Для охлаждения газа направим на дно цилиндра струю холодной воды. Понижение температуры газа будет происходить при неизменном объеме до тех пор, пока давление газа в цилиндре не достигнет значенияp1при температуреТ4. Этому процессу ответствует изохора. Для возвращения газа в исходное состояние, характеризуемое давлениемp1,объемомV1 и температуройТ1,необходимо продолжить его охлаждение до температурыT1. Этому процессу соответствует изобара. Процессы, в результате совершения которых газ возвращается в исходное состояние, называют круговымиилициклическими. Рабочий цикл рассмотренной тепловой машины состоит из двух изохор и двух изобар, (образующих прямоугольник.).
Рабочий цикл тепловой машины и ее КПД.В результате совершения рабочего цикла газ возвращается в начальное состояние, его внутренняя энергия принимает первоначальное значение. Следовательно, за цикл изменение внутренней энергии рабочего тела равно нулю:U =0.
Согласно первому закону термодинамики U=Q-A'=0, илиA'=Q.
Работа А',совершенная рабочим телом за цикл, равна полученному за цикл количеству теплотыQ. Количество теплотыQ, полученное рабочим телом за цикл, равно разности количества теплотыQ1, полученного от нагревателя, и количества теплотыQ2, отданного холодильнику: Q=Q1-Q2.
Следовательно, A'=Q1-Q2.
Коэффициент полезного действия , равный отношению полезно использованной энергии к затраченной энергии, для тепловой машины оказывается равным
= A'/Q1, или= (Q1-Q2) / Q1
Французский инженер Сади Карно (1796—1832)в 1824г. установил чрезвычайно важную для практики зависимость КПД тепловой машины от температурыT1 нагревателя и температурыТ2 холодильника: независимо от конструкции и выбора рабочего тела максимальное значение- КПД тепловой машины определяется выражением (max) = (Т1 –Т2) / Т1.
Любая реальная тепловая машина может иметь КПД, не превышающий это максимальное значение:
(Т1 –Т2) / Т1
Выражение для максимального значения КПД тепловой машины показывает, что для повышения коэффициента полезного действия тепловых машин существует два пути —повышение температурыT1 нагревателя и понижение температурыT2 холодильника. КПД тепловой машины мог бы стать равным единице, если бы имелась возможность использовать холодильник с температурой, равной абсолютному нулю.
Однако этот путь даже теоретически неосуществим, так как абсолютный нуль, согласно представлениям термодинамики, не может быть достигнут. Наиболее приемлемыми холодильниками для реальных тепловых машин являются атмосферный воздух или вода при температуре около 300К. Следовательно, основной путь повышения КПД тепловых машин —это повышение температуры нагревателя.
№27