- •Концепции современного естествознания
- •Задачи курса - сформировать у студентов:
- •Ключевые слова содержания дисциплины «Концепции современного естествознания», в соответствии с государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования
- •Глава 1 Естествознание. История развития естественных наук
- •1.1.Естествознание. Методы исследований
- •1.2.Философские концепции в развитии естественных наук
- •1.3.История развития естественных наук
- •1.3.1. Подготовительный период
- •1.3.2. Механистический период
- •1.3.3. Новое время
- •1.3.4. Новейшее время
- •Тестовые задания к главе 1
- •Глава 2 Теории о строении материи
- •2.1. Механистическая теория
- •1. Все состояния механического движения тел по отношению ко времени оказываются в принципе одинаковыми, поскольку время считается обратимым.
- •5. Действие и сигналы могут передаваться в пустом пространстве с какой угодно скоростью.
- •2.2. Электромагнитная теория
- •2.3. Электронная (атомно-молекулярная) теория
- •2.4. Физическая (квантово-полевая) теория
- •Тестовые задания к главе 2.
- •Глава 3 Законы развития материального мира
- •3.1. Законы диалектики
- •3.2. Категории диалектики
- •1. Единичное и общее
- •2. Причина и следствие
- •3. Необходимость и случайность
- •4. Возможность и действительность
- •5. Содержание и форма
- •6. Сущность и явление
- •7. Самоорганизация
- •8. Состояние
- •9. Взаимодействие
- •10. Близкодействие и дальнодействие
- •11. Принцип относительности
- •12. Принцип инвариантности
- •13. Принципы симметрии
- •14. Принципы суперпозиции, неопределенности, дополнительности
- •15.Принцип системной целостности
- •Тестовые задания к главе 3.
- •Глава 4 системнАя организациЯ и законы энергии материального мира
- •4.1. Формы существования материи
- •Системный подход к изучению материи
- •Современное естествознание о микро-, макро- и мегамирах
- •Структурная организация микромира
- •4.3. Законы взаимопревращения различных видов энергии материального мира
- •Законы сохранения энергии в макроскопических процессах
- •Принципы возрастания энтропии. Термодинамические законы
- •Химические процессы. Реактивная способность веществ
- •Тестовые задания к главе 4
- •Глава 5 эволюция вселенной
- •5.1. Метагалактика. Галактика. Солнце
- •5.2. Происхождение Солнечной системы
- •Тестовые задания к главе 5
- •Глава 6 эволюция земли. Биосфера
- •6.1. Основные этапы истории развития Земли
- •Этапы эволюционного развития Земли Образование основных оболочек Земли
- •Зарождение жизни
- •6.2. Биосфера Земли Характеристика и состав биосферы
- •В.И. Вернадский о биосфере и «живом веществе»
- •Биогенная миграция химических элементов
- •Развитие органического мира
- •Появление многоклеточных организмов
- •6.3. Антропогенез. Эволюция мозга и развитие сознания
- •Этапы развития человека
- •Развитие сознания
- •Психика человека
- •Психика животных
- •2. Стадия перцептивной психики
- •3. Стадия интеллекта
- •Эволюция психической деятельности человека
- •Строение и функции нервной системы человека
- •Варианты психической деятельности человека
- •Тестовые задания к главе 6
- •Глава 7 циклы и Ритмы Вселенной и их влияние на эволюцию земли
- •7.1. Ритмы Галактики
- •7.2. Ритмы Солнца
- •7.3. Влияние ритмов Галактики и Солнца на геофизические процессы Земли
- •Тестовые задания к главе 7.
- •Глава 8 колебания климата земли
- •8.1. Причины колебаний климата Земли
- •1. Астрономические факторы (положение Земли в космическом пространстве).
- •8.2. Палеоклиматическая реконструкция климата Земли
- •8.3. Моделирование климата Земли за 3,5 млрд. Лет и долгосрочный прогноз его изменчивости
- •Моделирование процесса динамики температурного режима земной поверхности за 3,5 млрд. Лет
- •Реконструкция температурных аномалий за 3,5 млрд. Лет до н.В. И прогноз на 1 млрд. Лет вперед
- •Реконструкция температурных аномалий
- •Реконструкция температурных аномалий за 100 тыс. Лет до н.В. И прогноз на 100 тыс. Лет вперед
- •Реконструкция температурных аномалий за 8 тыс. Лет до н.В. И прогноз на 12 тыс. Лет вперед
- •Атлантический период отмечен значительным сдвигом природных зон умеренных широт в северном направлении. Судя по палеотемпературной реконструкции, он продолжался 1300 лет (от 6800 до 5500 лет назад).
- •Тестовые задания к главе 8.
- •Глава 9
- •9.1. Антропогенные воздействия на микроклимат сельской местности
- •9.2. Антропогенные воздействия на микроклимат города
- •9.3. Антропогенное воздействие на глобальный климат планеты
- •Глава 10 Законы естествознания
- •10.1. Законы существования материального мира
- •10.2. Законы системной целостности
- •10.3. Законы внутреннего развития систем
- •39. Закон согласования строения (функции) частей подсистемы.
- •10.4. Законы термодинамики систем
- •10.5. Законы иерархии систем
- •51. Периодический закон химических элементов д.И.Менделеева
- •10.6. Законы «система-среда»
- •Сверлова Любовь Ивановна доктор географических наук, профессор Концепции современного естествознания
- •680042, Хабаровск, ул. Тихоокеанская, 134, хгаэп, риц
Принципы возрастания энтропии. Термодинамические законы
Энтропия - мера хаоса (беспорядка) в изолированной системе. Принимает только положительные значения. В термодинамике известен принцип возрастания энтропии – стремление любой системы к состоянию термодинамического равновесия – состоянию с наименьшей упорядоченностью движения частиц (хаос).
Всякая термодинамическая система в любом состоянии обладает внутренней энергией – энергией теплового (поступательного, вращательного и колебательного) движения молекул и потенциальной энергией их взаимодействия. Энергия – природные силы различных форм движения материи.
Возможны два способа изменения внутренней энергии термодинамической системы при её взаимодействии с внешними телами: путем совершения работы и путем теплообмена.
Известно, что в процессе превращения энергии выполняется закон сохранения энергии. Поскольку тепловое движение тоже механическое (только не направленное, а хаотическое), то при всех превращениях должен выполняться закон сохранения энергии не только внешних, но и внутренних движений. В этом заключается качественная формулировка закона сохранения энергии для термодинамической системы – первое начало термодинамики. Количественная его формулировка: количество теплоты, сообщенное телу, идет на увеличение его внутренней энергии и на совершение телом работы.
Из первого начала термодинамики следует важный вывод: невозможен вечный двигатель первого рода, т.е. такой двигатель, который совершал бы работу «из ничего», без внешнего источника энергии. При наличии внешнего источника часть энергии неизбежно переходит в энергию теплового, хаотического движения молекул, что и является причиной невозможности полного превращения энергии внешнего источника в полезную работу. Многочисленные опыты показывают, что все тепловые процессы необратимы в отличие от механического движения.
Если реализуется какой-либо термодинамический процесс, то обратный процесс, при котором проходятся те же тепловые состояния, но только в обратном направлении, практически невозможен. Другими словами, термодинамические процессы необратимы.
Приведем два характерных примера необратимых процессов. Если привести в соприкосновение два тела с различной температурой, то более нагретое тело будет отдавать тепло менее нагретому. Обратный процесс - самопроизвольный переход тепла от менее нагретого тела к более нагретому – никогда не произойдет. Столь же необратимым является и другой процесс – расширение газа в пустоту. Газ, находящийся в части сосуда, отдаленной от другой части перегородкой, заполняет весь сосуд после удаления перегородки. Газ никогда без постороннего вмешательства не соберется самопроизвольно в той же части сосуда, где он находился первоначально.
Всякая предоставленная самой себе система стремится перейти в состояние термодинамического равновесия, в котором тела покоятся друг относительно друга, обладая одинаковыми температурами и давлением. Достигнув этого состояния, система сама по себе из него не выходит. Значит все термодинамические процессы, приближающиеся к тепловому равновесию, необратимы.
Необратимы и все механические процессы, сопровождающиеся трением между телами. Трение вызывает замедление Движения тел, при котором кинетическая энергия переходит в тепло. Замедление эквивалентно приближению к состоянию равновесия, при котором движение отсутствует. В системе тел. находящихся термодинамическом равновесии, без внешнего вмешательства невозможны никакие реальные процессы. Следовательно, с помощью тел, находящихся в термодинамическом равновесии, невозможно совершить никакой работы, так как работа связана с механическим движением, т.е. с переходом тепловой энергии в кинетическую.
Утверждение о невозможности получения работы за счет энергии тел, находящихся в термодинамическом равновесии, составляет сущность второго начала термодинамики.
Окружающая нас среда обладает значительными запасами тепловой энергии. Двигатель, работающий только за счет энергии находящихся в тепловом равновесии тел, был бы для практики вечным двигателем. Второе начало термодинамики исключает возможность создания такого вечного двигателя второго рода.
Молекулы газа стремятся к наиболее вероятному состоянию, т.е. состоянию с беспорядочным распределением молекул, при котором примерно одинаковое число молекул движется вверх и вниз, вправо и влево, при котором в каждом объеме находится примерно одинаковое число молекул, одинаковая доля быстрых и медленных молекул в верхней и нижней частях какого-либо сосуда. Любое отклонение от такого беспорядка, хаоса, т.е. от равномерного и беспорядочного перемешивания молекул по местам и скоростям, связана с уменьшением вероятности, или представляет собой менее вероятное событие. Напротив, явления, связанные с перемешиванием, с созданием хаоса из порядка, увеличивают вероятность состояния. Только при внешнем электромагнитном или гравитационном воздействии возможно рождение порядка из хаоса, при котором порядок вытесняет хаос. В качестве примеров, демонстрирующих порядок, можно привести созданные природой минералы.
Закон, определяющий направление тепловых процессов, можно сформулировать как закон возрастания энтропии: для всех происходящих в замкнутой системе тепловых процессов энтропия системы возрастает, максимально возможное значение энтропии замкнутой системы достигается в тепловом равновесии.
Данное утверждение принято считать количественной формулировкой второго закона термодинамики, открытого Р.Ю. Клаузиусом (его молекулярно-кинетическое истолкование дано Л. Больцманом).
Идеальному случаю – полностью обратимому процессу замкнутой системы – соответствует не изменяющаяся энтропия. Все естественные процессы происходят так, что вероятность состояния возрастает, что означает переход от порядка к хаосу. Значит, энтропия характеризует меру хаоса, которая для всех естественных процессов при повышении температуры возрастает.