- •Оглавление
- •Тема 2.1. Развитие представлений о структуре материального мира 4
- •Тема 2.2. Свойства объектов микромира 26
- •Тема 2.3. Материя в пространстве и времени 46
- •Тема 2.4. Законы сохранения как проявление симметрии материального мира 59
- •Тема 2.5. Физические свойства объектов макромира. Хаос и самоорганизация 65
- •Тема 2.6. Химические процессы в макросистемах 91
- •Тема 2.7. Развитие представлений о строении и эволюции мегамира 112
- •Тема 2.1. Развитие представлений о структуре материального мира
- •Структурные уровни организации материи
- •Объекты микромира
- •Объекты макромира
- •Объекты мегамира
- •Корпускулярная и континуальная концепции описания природы
- •Взаимодействия и движение структур материального мира Четыре вида взаимодействий и их характеристика
- •Концепции близкодействия и дальнодействия
- •Характер движения структур мира
- •Энергия. Основные виды энергии
- •Тема 2.2. Свойства объектов микромира Развитие представлений о строении атомов
- •Теория атома н. Бора
- •Модель строения атома э. Резерфорда
- •Корпускулярно-волновой дуализм в современной физике
- •Элементарные частицы и их основные характеристики
- •Ядра атомов. Ядерная энергия
- •Основные положения теории суперобъединения (единой теории поля)
- •Методологические следствия из квантовой концепции
- •Тема 2.3. Материя в пространстве и времени Развитие представлений о пространстве и времени
- •Классическая концепция
- •Характеристики пространства, его трехмерность, однородность, изотропность. Характеристики времени, его анизотропность
- •Принцип относительности Галилея (принцип инерции). Инерциальные системы отсчета
- •Постулаты специальной теории относительности. Выводы из анализа преобразований Лоренца
- •Общая теория относительности: зависимость свойств пространства-времени от распределения материи
- •Тема 2.4. Законы сохранения как проявление симметрии материального мира Симметрия как инвариантность. Принципы симметрии
- •Симметрии пространства-времени
- •Связь законов сохранения с симметрией (теорема Нетер)
- •Закон сохранения импульса, закон сохранения момента импульса, закон сохранения заряда, закон сохранения энергии. Фундаментальный характер законов сохранения
- •Значение представлений о симметрии в познании объектов микро-, макро-, мегамира
- •Тема 2.5. Физические свойства объектов макромира. Хаос и самоорганизация Порядок и беспорядок в природе
- •Классическая термодинамика. Состояние. Параметры макросостояния: температура, давление, удельный объем
- •Закон сохранения энергии в макроскопических процессах (первое начало термодинамики)
- •Принцип возрастания энтропии (второе начало термодинамики) и необратимость времени
- •Направленность самопроизвольно протекающих процессов. Тепловая смерть Вселенной. Философский смысл возрастания энтропии
- •Молекулярно-кинетический (статистический) метод изучения макросистем. Вероятностный характер возрастания энтропии (Больцман)
- •Проблема возникновения упорядоченных структур в природе
- •Открытые системы. Неравновесные процессы. Синергетика (Хакен), неравновесная термодинамика (Пригожин)
- •Самоорганизация в живой и неживой природе, ее пороговый характер. Диссипативные структуры, флуктуация, бифуркация, аттрактор
- •Тема 2.6. Химические процессы в макросистемах Химия как наука
- •Основные химические концепции: учение о составе, структурная химия, химическая кинетика и термодинамика, эволюционная химия
- •Этапы развития химии
- •I. Донаучный этап
- •1. Натурфилософский период
- •2. Алхимический период
- •II. Научный этап
- •1. Становление учения о составе
- •2. Становление структурной химии
- •3. Изучение химических процессов
- •4. Эволюционная химия
- •Химический элемент. Вещество. Реакционная способность веществ
- •Химические процессы
- •Связь физических, химических и биологических форм движения материи
- •Тема 2.7. Развитие представлений о строении и эволюции мегамира Структура мегамира
- •Развитие представлений об организации мегамира. Модели Вселенной
- •Геоцентрическая система мира
- •Гелиоцентрическая система мира
- •Космологические теории классической механики
- •Модели устройства Вселенной, созданные на основе общей теории относительности и релятивистской теории тяготения
- •Стадии развития Вселенной
- •Структура современной Вселенной
- •Солнечная система
- •Внутреннее строение и история геологического развития Земли
Закон сохранения энергии в макроскопических процессах (первое начало термодинамики)
XIXв. ознаменовался открытием одного из самых великих принципов современной науки. Этот принцип гласит, что существует определенная величина, названная энергией, которая не меняется ни при каких превращениях, происходящих в природе.
Энергия – общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи.Понятие энергии позволило объединить все явления природы, рассматривать все физические, химические и биологические процессы с единой точки зрения.
История открытия закона сохранения энергии кратко изложена в теме 1.3. Термин “энергия” впервые был введен в науку Юнгом. Как термин, обозначающий величину, сохраняющуюся в различных физических процессах, он окончательно вошел в научный обиход после работ У. Томсона (Кельвина) в 1849 г. Введение понятия “энергия” имело огромное значение для развития фундаментальной науки. Впервые абстрактное понятие заняло центральное место в науке, придя на смену “ньютоновой силе”, соответствующей чему-то наглядному, конкретному.
Механическая энергия и внутренняя энергия – это только две из многих форм энергии. Все, что может быть превращено в какую-либо из этих форм, тоже есть форма энергии. В соответствии с различными формами движения материи рассматривают различные формы энергии: механическую, электромагнитную, ядерную, химическую и др. Это подразделение до известной степени условно. Так, химическая энергия складывается из кинетической энергии движения электронов и электрической энергии взаимодействия электронов друг с другом и с атомными ядрами. Внутренняя энергия равна сумме кинетической энергии хаотического движения молекул относительно центра масс тел и потенциальных энергий взаимодействия молекул друг с другом. По сути дела, все явления, связанные с распределением и превращением энергии сводятся к энергии четырех фундаментальных взаимодействий элементарных частиц (сильного, слабого, электромагнитного и гравитационного).
Всеми явлениями природы управляет закон сохранения и превращения энергии: Энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает: количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую.
В теории относительности показывается, что энергия тела неразрывно связана с его массой тсоотношениемЕ=mс2, гдес – скорость света в вакууме. Еслиmо – масса покоящегося тела, то его энергия покояEo=mос2.Эта энергия может переходить в другие виды энергии при превращениях частиц (распадах, ядерных реакциях и т. д.), при этом масса уменьшается. С установлением эквивалентности массы и энергии данный закон рассматривается какзакон сохранения массы и энергии.
Первое начало (закон) термодинамики– это закон сохранения и превращения энергии в изолированной термодинамической системе. Формулировка закона сохранения энергии как первого начала термодинамики связана с введением понятия внутренней энергии. Это понятие было введено в 1851 г. У. Томсоном (Кельвином).
Возможны два качественно различных способа передачи энергии от одного макроскопического тела к другому – в форме работы Аи в форме теплотыQ(путем теплообмена).
Передача энергии в форме работы производится в процессе силового взаимодействия тел и всегда сопровождается макроскопическим перемещением. Передача энергии путем теплообмена между телами обусловлена различием температур этих тел.
Первый закон термодинамикиустанавливает эквивалентность этих двух способов передачи энергии, утверждая, что изменить внутреннюю энергию тела можно любым из этих способов:изменение внутренней энергии физической системы (DU) в каком-нибудь процессе представляет собой алгебраическую сумму количества теплоты Q, которой система обменивается в ходе теплообмена с окружающей средой, и работы А, совершенной системой или произведенной над ней:
DU = Q – A.
Другими словами, тепло, полученное системой, идет на приращение ее внутренней энергии и на производство внешней работы.
Энергетическая эквивалентность теплоты и работы, то есть возможность измерения их количеств в одних и тех же единицах и, соответственно, возможность их сравнения была доказана опытами Ю. Р. Майера (1842) и Дж. Джоуля (1843). Первое начало термодинамики было сформулировано Майером, а затем в значительно более ясной форме Г. Гельмгольцем (1847).
Согласно закону сохранения энергии, внутренняя энергия является однозначной функцией состояния физической системы, то есть однозначной функцией независимых переменных, определяющих это состояние, например, температуры Ти объемаVили давленияр.DUопределяется лишь значениями внутренней энергии в начальном и конечном состояниях:DU = U2 – U1. Для любого замкнутого процесса, возвращающего систему в первоначальное состояние (U2 = U1), изменение внутренней энергии равно нулю иQ = А.
Следствием первого начала термодинамики является невозможность вечного двигателя (перпетуум мобиле) первого рода, то есть такого двигателя, который бы производил работу без затрат энергии, “из ничего”.