Шпоры по КСЕ2 / 19-24

19. Сущность 2 начала термодинамики.

Возможность построения машины без холодильника, т.е. с КПД=1, которая могла бы превращать в работу всю теплоту, заимствованную у теплового резервуара, не противоречит закону сохранения энергии. Она была бы аналогична вечному двигателю, т.к. могла бы производить работу за счет практически ∞ источников энергии. Такую машину Оствальд назвал вечным двигателем 2^ого рода.

Карно же исходил из невозможности вечного двигателя, утверждая, что в любом непрерывном процессе превращения теплоты от горячего нагревателя в работу непременно должна происходить отдача тепла холодильнику.

Таким образом, здесь проявляется общее свойство теплоты – уравнивание температурной разницы путем перехода от теплых тел к холодным. Второе начало термодинамики определяет направления превращения энергии.

Существует ряд его формулировок: 1) В природе невозможны такие процессы, единственным конечным результатом которых был бы переход тепла от менее нагретого к более нагретому. 2) КПД любой тепловой машины всегда меньше 1, т.е. невозможен вечный двигатель 2 рода. 3) Энтропия изолированной системы не убывает (т.е. при протекании обратимых процессов энтропия постоянна, а при необратимых процессах она возрастает). Энтропия системы, находящейся в равновесном состоянии максимальна и постоянна.

20.Стрела времени.

Время - одно из фундаментальных понятий научной картины мира. Нам известно одно неотъемлемое свойство времени – его направленность от прошлого к будущему.

Почему это именно так и не иначе? Ф физик Эддингтон придумал яркое название «стрела времени». Английский астрофизик Хойл высказал мысль о связи направления времени с направлением процесса увеличения расстояния между галактиками в ходе расширения Вселенной, которое наблюдается в настоящее время. Эту идею поддержал и Эддингтон. Связь с расширением Вселенной может определять только "космологическую шкалу времени".

Существует и субъективное восприятие течения времени в результате психологических процессов, которые дают нам “психологическую шкалу времени”. Например, нам кажется что время течет то быстро, когда спим (только уснул, и уже вставать), то медленно (чего-то ожидаем).

В то же время во Вселенной идет необратимый процесс роста энтропии. Не он ли определяет стрелу времени? Действительно, согласно Больцману, возрастание энтропии означает необратимость процесса и рассматривается как проявление возрастающего хаоса, постепенного “забывания” начальных условий. Таким образом, термодинамические процессы определяют и «ТД шкалу времени».

Итак, фактически мы имеем три «стрелы времени»: 1) космологическую (расширение Вселенной); 2) психологическую (субъективное восприятие, опыт); 3) термодинамическую (рост энтропии). Тот факт, что эти «стрелы времени» в настоящее время в нашей Вселенной совпадают, является одной из загадок современной картины мира.

21.Проблема тепловой смерти Вселенной и флуктуационная гипотеза Больцмана.

Клаузиус: согласно второму началу ТД все физические процессы протекают в направлении передачи тепла от более горячих тел к менее горячим, тогда конечным результатом будет полное выравнивание температуры во Вселенной. Следовательно, в будущем ожидается исчезновение температурных различий и превращение всей мировой энергии в тепловую, равномерно распределенную во Вселенной. Выводы Клаузиуса: 1) Энергия мира постоянна. 2) Энтропия мира стремится к максимуму.

Таким образом, тепловая смерть Вселенной означает полное прекращение всех физических процессов вследствие перехода Вселенной в равновесное состояние с максимальной энтропией. Совр. ЕЗ отвергает концепцию “тепловой смерти” к Вселенной в целом.

Проблему будущего развития Вселенной пытался разрешить Больцман. Он применил к ней понятия флуктуации. Под флуктуацией физической величины понимается отклонение истинного значения величины от ее среднего значения, обусловленное хаотическим тепловым движением частиц системы.

Больцман: Вселенная настолько велика, что в ней всегда в определенный момент времени и в определенной области пространства значение энтропии будет отличаться от др. Теория флуктуаций развивалась и после смерти Больцмана в трудах Эйнштейна и Смолуховского.

В настоящее время проблема самоорганизации сложных систем рассматриваются в рамках нового междисциплинарного направления – синергетики.

22.Теория электромагнитного поля Максвелла.

Концепция силовых линий, предложенная Фарадеем, долгое время не принималась всерьез другими учеными. Физик Максвелл берет под защиту метод Фарадея, его идею близкодействия и поля и разрабатывает его в своих трудах "О физических линиях силы" и "Динамическая теория поля". В последней работе и была дана система уравнений, которые составляют суть теории Максвелла.

Она сводилась к тому, что изменяющееся магн. поле создает не только в окружающих телах, но и в вакууме вихревое эл. поле, которое, в свою очередь, вызывает появление магн. поля. Таким образом, в физику была введена новая реальность – эл_магн. поле. Это ознаменовало начало нового этапа в физике - этапа, на котором эл_магн. поле стало реальностью, материальным носителем взаимодействия. Мир стал представляться эл_динамической системой, построенной из эл. заряженных частиц, вз_действующих посредством эл_магн. поля.

Система уравнений для эл. и магн. полей, разработанная Максвеллом, состоит из 4^х уравнений, которые эквивалентны утверждениям: 1) divEq, эл. поле, соответствующее какому-либо распределению заряда, определяется из закона Кулона; 2) divH=0, магн. заряды не существуют. 3) rotEdH/dt, переменное магн. поле возбуждает эл. ток; 4) rotHI+dE/dt, магн. поле возбуждается токами и переменными эл. полями.

Анализируя свои уравнения, Максвелл пришел к выводу, что свет – разновидность эл_магн. волн. На основе своей теории Максвелл предсказал существование давления, оказываемого эл_магн. волной, а, следовательно, и светом, что было блестяще доказано экспериментально в 1906 г. Лебедевым. Вершиной научного творчества Максвелла явился «Трактат по электричеству и магнетизму».

Разработав ЭМКМ, Максвелл завершил картину мира классической физики ("начало конца классической физики"). Теория Максвелла является предшественницей электронной теории Лоренца и СТО Эйнштейна.

23. Постулаты и основные следствия СТО.

Эйнштейн разработал в 1905 г. новую теорию пространства и времени, получившую название СТО.

Основу СТО составляют два постулата (принципа): 1) Принцип относительности, который гласит: "все физические процессы при одних и тех же условиях в ИСО протекают одинаково". Это означает, что никакими физическими опытами, проведенными внутри замкнутой ИСО, нельзя установить, покоится ли она или движется равномерно и прямолинейно. 2) Принцип постоянства скорости света, "с" в вакууме постоянна и не зависит от движения источника и приемника света.

Анализ постулатов показывает, что они противоречат представлениям о пространстве и времени, принятым в механике Ньютона. Необходимое видоизменение законов механики и было осуществлено Эйнштейном. В результате возникла механика, согласующаяся с принципом относительности – релятивистская механика.

Согласно ей переход от одной ИСО к другой должен осуществляться не по преобразованиям Галилея, а по преобразования Лоренца: 1) Закон сложения скоростей: V=(V'+V₀)/(1+(V'∙V₀)/(c²)), где V₀ – скорость подвижной системы координат К’ относительно неподвижной системы координат К; V' – скорость материальной точки (МТ) в системе К’; V – скорость МТ относительно системы К, с – скорость света в вакууме. 2) Зависимость массы тела от его движения. m=m₀/√(1-V²/c²), где m₀ – масса покоя электрона, а m – его масса при скорости движения V (масса движения). 3) Относительность промежутка времени: t=t₀/√(1-V²/c²), где t₀ – собственное время, V, t – время по часам в неподвижной системе отсчета. Таким образом, собственное время меньше времени по часам в неподвижной СО. Разумеется, это становится заметно только при скоростях, соизмеримых со скоростью света. Отсюда и так называемый «парадокс близнецов». Он заключается в том, что если один близнец остается на Земле (НСО), а др. улетает на ракете (ДСО), движущейся с субсветовой скоростью, то, возвратившись на Землю, он констатирует, что его брат-близнец стал намного старше его.

4) Важнейшим следствием СТО явилась знаменитая формула Эйнштейна о взаимосвязи массы и энергии Е = mc², подтвержденная данными совр. физики.

24. Основные идеи общей теории относительности.

В 1916 г. Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности (ОТО), над которой работал в течение 10 лет. ОТО обобщила СТО на ускоренные, т.е. неинерциальные системы. Основные принципы ОТО сводятся к следующему: 1) ограничение применимости принципа постоянства скорости света областями, где гравитационными силами можно пренебречь; (там, где гравитация велика, скорость света замедляется); 2) распространение принципа относительности на все движущиеся системы (а не только на инерциальные).

Из ОТО был получен ряд важных выводов: 1) Свойства пространства-времени зависят от движущейся материи. 2) Луч света, обладающий инертной, а, следовательно, и гравитационной массой, должен искривляться в поле тяготения. 3) Частота света под действием поля тяготения должна смещаться в сторону более низких значений. В результате этого эффекта линии солнечного спектра должны смещаться в сторону красного цвета, по сравнению со спектрами соответствующих земных источников. Действительно, красное смещение в спектрах небесных тел было обнаружено в 1923-1926 гг. при изучении Солнца, а в 1925г. при изучении спутника Сириуса. Все это явилось убедительным подтверждением ОТО.