- •Лекции по курсу
- •2. Литература, необходимая для изучения курса.
- •3.Цели и задачи дисциплины.
- •4.Требования к уровню освоения содержания дисциплины.
- •5.Структура современного естествознания.
- •6.Методология естествознания.
- •7.История естествознания.
- •1. Пространство и время
- •2. Механическая форма движения материи. Основы классической механики
- •3. Релятивистская концепция механического движения. Представления специальной теории относительности
- •4. Понятие об общей теории относительности. Влияние гравитации на пространство и время
- •5. Масштабы пространства, времени.
- •6. Современные представления о структуре и эволюции Вселенной
- •1. Ритм как упорядочение времени
- •2. Космические и биологические ритмы
- •3. Общая характеристика колебаний
- •4. Виды колебаний
- •5. Общая характеристика волны
- •6. Упругие волны
- •7. Электромагнитные волны
- •8. Волновые явления
- •1. Симметрия
- •2. Законы сохранения
- •3. Фундаментальные взаимодействия
- •4. Развитие представлений о физических полях
- •5. Концепция обменного взаимодействия
- •6. Концепция корпускулярно-волнового дуализма в современной физике
- •7. Основные положения квантовой механики
- •8. Структура микромира
- •1. Термодинамический и статистический методы описания систем
- •2. Общие свойства систем. Системный подход
- •3. Основы равновесной термодинамики (термодинамики изолированных систем)
- •4. Основы неравновесной термодинамики
- •5. Термодинамика сильно неравновесных систем
- •6. Эволюция самоорганизующихся систем
- •Активная
- •7. Синергетика и экономика
- •1. Предмет химии
- •2. Основные понятия и законы классической химии
- •3. Систематизация химических элементов. Периодический закон д.И.Менделеева
- •4. Особенности развития химии на рубеже хiх-хх вв.
- •5. Развитие химического атомизма в первой половине XX в. Квантовый уровень химии
- •6. Концепция химической эволюции
- •1. Экология как наука о взаимоотношении живых систем с неживой природой
- •2.Структура и основные направления развития экологии
- •Экология
- •Фундаментальная
- •3.Биосфера.
- •4.Экосистемы и основы их жизнедеятельности
- •Биотические компоненты экосистемы
- •5.Экологические факторы.
- •6.Глобальные проблемы современности.
- •Загрязнение
- •1. Понятие о литосфере
- •2. Геологическое летосчисление
- •3. Рельефообразующие процессы
- •4. Основные формы рельефа Земли
- •5. Минеральные ресурсы литосферы
- •6. Гидросфера
- •7. Атмосфера
- •8. Общие представления о географической оболочке
- •1. Общая характеристика живых систем
- •2. Молекулярно-генетический уровень организации биологических систем
- •3. Клеточный уровень организации жизни
- •4. Онтогенетический уровень организации биологических систем
- •5. Популяционно-видовой уровень
- •7. Биосферный уровень
- •8. Развитие представлений о биологической эволюции
- •9. Основные этапы эволюции жизни
- •Словарь терминов
- •Литература
1. Термодинамический и статистический методы описания систем
Наряду со многими происходящими в природе явлениями тепловые занимают важное место в жизни и деятельности человека (например, переход воды из жидкого агрегатного состояния в твердое при охлаждении до 00С и газообразное – пар - при нагревании до 1000С). С изменением температуры на 20 300С при смене времени года окружающая нас среда преображается: вместо снежного покрова, зеленеют луга и леса.
Научное представление о тепловых явлениях дает наука термодинамика, являющаяся разделом естествознания. Термодинамика изучает закономерности протекания тепловых процессов в системах, а также взаимосвязи между тепловыми и другими явлениями. Она зародилась еще в античности, когда философы древности пытались связать теплоту с механическим движением тел. Древнее изречение гласит: ignis mutat res (лат.), что означает – огонь движет вещами. Первые успехи в построении научной теории теплоты достигнуты лишь в XVII в., когда был изобретен термометр и появилась возможность количественных измерений тепловых свойств систем. Период бурного развития термодинамики приходится на XIX век в связи с изобретением и совершенствованием тепловых машин. В последние десятилетия она получила новое развитие: появилась термодинамика сильно неравновесных систем, методологическое значение которой выходит за рамки естествознания и касается социально-экономических наук. Кроме того, неравновесная термодинамика - одна из наук, в недрах которой зародилась синергетика – теория самоорганизации. Именно эти аспекты представляют для нас интерес в данном курсе.
В процессе обмена энергией и массой участвует множество тел (элементов, частиц). Макроскопическое тело, выделенное из окружающей среды при помощи перегородок или оболочек (в т. ч. мысленных, условных), состоящее из достаточно большого числа частиц и характеризующееся макроскопическими параметрами: объемом, температурой, давлением и др., - называют термодинамической системой. В зависимости от степени взаимодействия (перераспределения массы и энергии) с окружающей средой различают три вида термодинамических систем: изолированные, закрытые, открытые. Система называется изолированной, если ее масса и энергия со временем не изменяются; закрытой, если при неизменной ее массе (количестве частиц) она может обмениваться с окружающей средой энергией; открытой, если она обменивается с окружающей средой веществом, энергией. Для изучения тепловых процессов в естествознании сформировался термодинамический метод исследования. Он заключается в том, что термодинамическая система рассматривается как один целостный объект (а не как множество ее элементов, молекул), и ее состояние системы задается термодинамическими параметрами (параметрами системы), характеризующими ее свойства. В качестве таковых обычно выбирают абсолютную температуру (температуру по шкале Кельвина – Т), давление (Р), молярный объем (объем одного моля вещества – VМ). Параметры связаны друг с другом, поэтому состояние системы можно представить в виде уравнения. Например, для идеального газа массой в один моль эту связь выражает уравнение Менделеева-Клапейрона:
PVМ = RT, (5.1)
где R = 8,314 Дж/моль * К – универсальная газовая постоянная.
Термодинамика подразделяется на: равновесную и неравновесную. Равновесная термодинамика изучает процессы в системах, находящихся в равновесном состоянии, а также процессы, протекающие при нарушении и восстановлении равновесия (например, такие явления, как теплопроводность или диффузия). Равновесное состояние системы – состояние, в котором ее параметры при неизменных внешних условиях остаются постоянными сколь угодно долго. Неравновесная термодинамика описывает явления в закрытых и открытых системах.
Термодинамический метод устанавливает связи между макроскопическими свойствами тел, рассматривая эти свойства как бы снаружи, не вникая в структуру вещества. Он изучает общие закономерности передачи и превращения энергии. Основу термодинамики составляют два фундаментальных закона: первое и второе начала термодинамики, которые являются итогом обобщения практического опыта человечества, поэтому он успешно применяется во всех отраслях естествознания (химии, биологии и др.). Однако, с другой стороны, термодинамический метод ограничен, так как не дает информации о механизме явлений.
Поведение громадного числа молекул, составляющих макротела, изучается также статистическим методом, который основан на том, что свойства макротел определяются свойствами молекул, особенностями их движения (скоростью, энергией, импульсом и т.д.) и взаимодействия. Например, температура может быть выражена через среднее значение кинетической энергии движения молекул. Статистический метод дает представление о механизме тепловых процессов, рассматривая их как бы изнутри макротел, он существенно дополняет термодинамический метод. Основные законы термодинамики также имеют статистический смысл. Поэтому оба метода составляют основу термодинамики.