10. Пространство и время как основные свойства материи

Вопросы пространства и времени всегда интересовали человека. В истории философии сложились 2 концепции пространства и времени: субстанциональная и реляционная.

Субстанциональная концепция, идеи которой содержиться во взглядах Демокрита, была доработана Исааком Ньютоном. Согласно этой концепции пространство- это бесконечное вместилище, чистая протяженность,а время-непрерывная, чистая длительность. Пространство и время есть объективные формы существующие наряду с материей.По Ньютону, мир состоит из материи,пространства и времени. Пространство может быть заполнено материей, но может существовать без нее. Время течет как бы само по себе, вне связи с материальными процессами. Ньютон признавал абсолютное пространство и абсолютное время.

Релляционная концепция, основы которой заложил Аристотель, была сформулированна Г.Лейбницем, который рассматривал пространство и время не как особые субстанции сущности, а как формы существования материи. Пространство по-мнению Лейбница, характеризует порядок расположения тел, а время-последовательность изменения их состояния. Согласно данной концепции,пространство, время и материя взаимосвязаны друг с другом и явл. Объективными формами бытия движущейся материи.

Пространство—это философская категория, которая характеризует протяженность и взаимное расположение материальных объектов, существование и взаимодействие составляющих их элементов.Пространство-это структура,служащая средой обитания материальных объектов и процессов.Пространство характеризует структурность и протяженность материальных систем.

Время-это философская категория,кот. Выражает длительность существования любых объектов, последовательность смены их качечтвенного состояния. Время характеризует длительность бытия материальных объектов, предметов и явлений.

Временными характеристиками явл.моменты, в которые происходят явления, продолжительность (длительность) процессов.

Пространство и время не существует вне материи и независимо от нее.

По теории относительности А.Энштейна пространство и время находятся в неразрывной связи с движущейся материей. Специальная теория относительности А.Энштейна была создана в 1905г(СТО). В 1915г. Энштейном были созданы основы общей теории относительности(ОТО).

ОТО объясняет теорию тяготения.

Главным моментом в создании ОТО явилось предлож. Энштейна о том, что в присутствии массивных тел должно искривляться не только пространство, а все пространство-время. Массы создающие поле тяготения, скривляют пространство и меняют течение времени.

В СТО свойства простр. И времен. Рассматрив. Без учета гравитационных полей. ОТО связала тяготение с электромагнетизмом и механикой.

По общей теории относит. Массы, создающие поле тяготения, искривляют пространство и меняют течения времени. Чем сильнее поле, тем медленнее течет время. Возникло представление о пространственно-временном четырехмерном континиуме.

. 11. Термодинамические системы и их макроскопические характеристики

§ 2. Термодинамические системы и их характеристики

Объектом изучения термодинамики являются макроскопическое тело или группа тел, находящихся в ограниченной части пространства. Тело, часть тела или группа тел, выделенные из пространства реально существующими или воображаемыми поверхностями, называются термодинамической системой или просто системой. Остальная часть пространства образует внешнюю (окружающую) среду. Примерами термодинамических систем может быть газ в баллоне, раствор нескольких веществ в колбе, кристалл или же мысленно выделенная часть подобного рода объектов.

По тому, как термодинамические системы взаимодействуют с окружающей средой, они подразделяются на изолированные, закрытые и открытые.

Изолированными системами называются системы, которые не обмениваются с окружающей средой ни энергией, ни веществом.

Закрытые системы – это системы, которые обмениваются с окружающей средой энергией, но не веществом.

Открытые системы - системы, обменивающиеся с окружающей средой и энергией, и веществом.

Макроскопические признаки, характеризующие систему, называются термодинамическими параметрами. Наибольшее значение имеют параметры, поддающиеся непосредственному определению. К таким параметрам относятся температура, давление, объем, плотность, концентрация и др.

Если внутри термодинамической системы параметры остаются постоянными или непрерывно меняются от точки к точке, то такая система называется гомогенной.

Система называется гетерогенной, если она состоим из нескольких макроскопических частей, отделенных одна от другой видимыми поверхностями раздела. На этих поверхностях некоторые параметры меняются скачкообразно.

Совокупность всех гомогенных частей системы, однородных в физическом и химическом отношениях, называется фазой. Агрегатные состояния (газ, жидкость, различные модификации кристаллов) представляют собой примеры разных фаз.

К образованиям с очень малым объемом понятие фазы неприменимо, так как состояние молекул на поверхности раздела фаз отличается от состояния молекул внутри фазы. Поэтому системы, составленные из небольшого числа молекул, не могут быть разделены на поверхностный слой и внутренний объем.

Фаза может состоять из нескольких веществ. Вещество, которое может быть выделено из системы и устойчиво существовать вне ее, называется составляющим веществом системы. Например, для водных растворов ими являются не ионы, а растворенная соль и вода.

Количества составляющих веществ, входящих в равновесную систему, могут зависеть друг от друга, и для определения состава системы достаточно знать концентрации лишь части составляющих веществ. Составляющие вещества, концентрации которых определяют состав фаз, называются независимыми составляющими веществами, или компонентами системы.

Число компонентов равняется числу составляющих веществ системы минус число уравнений, связывающих концентрации этих веществ.

12. Теплота и механическая работа (закон сохранения энергии)

Теплота измеряет внутреннюю энергию, переданную одним телом другому без совершения механической работы. При изменении внутренней энергии тела меняется его температура.

Так, при пилке, точке, сверлении за счет совершения механической работы увеличивается внутренняя энергия обрабатываемой детали и инструмента, и они

нагреваются.При определении механического эквивалента тепла (рис.185) работа против сил трения ленточного тормоза увеличивает внутреннюю энергию медного цилиндра, который при этом нагревается.

Газы имеют два различных значения удельных теплоемкостей в зависимости от того, происходит ли нагревание при постоянном давлении (ср) или при при постоянном объеме (сv). Если нагревать газ при постоянном давлении (подвижный поршень), то часть подведенного тепла пойдет на работу расширения газа, т.е. на подъем поршня и преодоление внешнего давления, а часть – на увеличение скорости молекул, т.е. увеличение внутренней энергии и связанное нею повышение температуры. В случае нагревания массы газа в замкнутом объеме (постоянном) все подведенное тепло идет на увеличение энергии движения молекул, газ нагревается сильнее (температура повышается больше

. Превращение тепла в работу никогда не происходит полностью; часть тепла всегда переходит от тела с более высокой температурой (нагреватель) к телу с более низкой температурой (холодильник).

В мысленном эксперименте Карно проводится круговой процесс, в котором газ или жидкость, совершая работу, претерпевает изменения температуры и давления и в конце процесса возвращается в первоначальное состояние.

Второй основной тепловой закон. Превращение тепла в работу возможно только частично, так как некоторое количество тепла обязательно передается окружающим телам с более низкой температурой.

Формулировка Планка. Невозможна такая машина, которая поглощала бы тепло у какого –нибудь тела (резервуара тепла) и превращала в работу без того, чтобы не происходили никакие иные изменения.

Увеличение внутренней энергии при трении, а также теплота, сообщаемая холодной воде (холодильника), являются формами энергии, которые не могут быть использованы в дальнейшем. В качестве меры этого обесценивания энергии Клаузиус ввел понятие энтропии:

Энтропия не меняется в идеализированных обратимых процессах (круговых процессах). Каждый естественный процесс протекает таким образом, что энтропия растет.

2. Работа в механике. Закон сохранения и превращения энергии в механике

Формирование понятия механической энергии было связано с формированием понятия механической работы А = F•x и энергии, как способности совершать работу.

Как известно, сообщить телу кинетическую энергию можно двумя способами:

а) передать при столкновении (например, удар шаров)

б) “подталкивая” с помощью некоторой силы F

Работа и энергия, как составные части, входят в один и тот же закон сохранения. Действительно, тело, двигаясь, сжимает пружину, и, растратив свою энергию на сжатие пружины, останавливается, вслед за этим пружина начинает распрямление, ускоряя тело, вся совершаемая при этом работа уходит на увеличение кинетической энергии тела. Что же в результате имеет система “пружина-тело”, когда движение прекратилось, а вся кинетическая энергия затрачена на сжатие пружины? Запас кинетической энергии не пропал бесследно, а перешел в запас энергии, которым обладает пружина в сжатом состоянии (“мертвой силы”, как ее первоначально называли). Такая форма энергии называется потенциальной. Другой способ запасти такую энергию - поднять груз на высоту.

Таким образом, термин “потенциальная энергия” относят к энергии запасенной в деформированном теле, в теле, поднятом на высоту, одним словом, к запасу энергии, обусловленному положением тела в некотором поле и природой самого поля. (Современной физике известно четыре типа полей, соответствующим четырем взаимодействиям: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое). Таким образом, понятие потенциальной энергии применимо не только к механическим явлениям.

Изменение потенциальной энергии определяется конкретной природой взаимодействия системы тел (гравитационным, электромагнитным, сильным, слабым) и зависит от изменения конфигурации тел в соответствующих полях.

Консервативные и диссипативные силы. Силы, величина которых зависит от взаимного расположения, или конфигурации тел и не зависят от движения, называются консервативными. Это – силы, проявляющиеся в потенциальных полях. (По определению потенциальные поля – это поля, работа сил которых не зависит от траектории движения). Гравитационное и электростатическое поля, как известно, являются потенциальными.

Рассмотрим примеры обусловленности потенциальной энергии конкретными видами взаимодействия системы тел. Так, потенциальная энергия сжатой пружины выражает собой энергию внутреннего движения частиц, составляющих пружину. Однако, механика не занимается изучением “внутренних сил”, связанных взаимодействием атомов и молекул, а интересуется конечным результатом. Этот результат может быть вычислен по величине работы, которую нужно затратить, чтобы изменить конфигурацию частей пружины. Запас этой работы и понимается как потенциальная энергия пружины. Потенциальная энергия – свойство системы материальных тел совершать работу при изменении конфигурации тел в системе.

Таким образом, работа может быть определена как мера изменения энергии.

В ряде случаев работа, совершаемая за счет уменьшения потенциальной энергии, практически полностью идет на увеличение кинетической энергии тела. Эти случаи и послужили основанием для формулирования закона сохранения и превращения энергии применительно к механическим процессам.

Вспомним формулировку закона:

Полная энергия замкнутой консервативной системы тел, равная сумме потенциальной и кинетической энергии, остается величиной постоянной.

Важно помнить также, что физический закон имеет границы своей применимости. В данном случае мы имеем два ограничения:

1) система должна быть изолированной от внешних воздействий (замкнутость системы);

2) система должна быть консервативной, т.е. в ней должны быть только консервативные силы.

В случае, если работа сил зависит от формы пути или же сами силы зависят от скорости движения, механическая энергия системы не сохраняется. Например, силы трения, которые не являются консервативными (зависят от скорости), происходит уменьшение, «рассеяние» энергии, или, что то же самое, ее диссипация

Мы знаем, что силы трения присутствуют практически всегда, и в действительности мы не имеем дела со строго консервативными системами. Однако закон сохранения механической энергии имеет огромное значение, поскольку, во-первых, существует множество явлений, которые допускает подобную идеализацию, например, при малых ∆t, когда трением можно пренебречь; во-вторых, без установления этого закона было бы очень трудно сделать следующий шаг и выяснить, куда же растрачивается механическая энергия

Примеры

Классическим примером этого утверждения являются пружинный или математический маятники с пренебрежимо малым затуханием. В случае пружинного маятника в процессе колебаний потенциальная энергия деформированной пружины (имеющая максимум в крайних положениях груза) переходит в кинетическую энергию груза (достигающую максимума в момент прохождения грузом положения равновесия) и обратно. В случае математического маятника аналогично ведёт себя потенциальная энергия груза в поле силы тяжести.

Вывод из уравнений Ньютона

Закон сохранения механической энергии может быть выведен из второго закона Ньютона, если учесть, что в консервативной системе все силы, действующие на тело, потенциальны и, следовательно, могут быть представлены в виде

,

где — потенциальная энергия материальной точки ( — радиус-вектор точки пространства). В этом случае второй закон Ньютона для одной частицы имеет вид

,

где m — масса частицы, — вектор её скорости. Скалярно домножив обе части данного уравнения на скорость частицы и приняв во внимание, что , можно получить

Путём элементарных операций это выражение может быть приведено к следующему виду

Отсюда непосредственно следует, что выражение, стоящее под знаком дифференцирования по времени, сохраняется. Это выражение и называется механической энергией материальной точки. Первый член в сумме отвечает кинетической энергии, второй — потенциальной.

Этот вывод может быть легко обобщён на систему материальных точек