Основные понятия современного естествознания

Основные понятия современного естествознания

Содержание

1. Что изучает химия, каковы основные этапы ее развития? Дайте понятие структурной и эволюционной химии

2. В чем сущность второго начала термодинамики? Приведите значения к.п.д. для тепловых станций. В чем состоит суть спора о «тепловой смерти Вселенной»? Какие приняты шкалы температур? Каков смысл абсолютного нуля температур?

3. Охарактеризуйте реакции, лежащие в основе энергии звезд. Укажите проблемы энергетики, связанные с термоядерной реакцией.

4. Опишите развитие представлений о свете. Как и кем было показано, что свет есть электромагнитная волна? В чем проявляются волновые свойства света?

5. Поясните, что такое Вселенная, каковы ее размеры, какие объекты ее составляют и какие модели развития Вселенной Вам известны. Какие эмпирические подтверждения развития Вселенной?

6. Дайте представление о фазовых переходах, приведите примеры фазовых переходов разных типов (родов). Что за явления – сверхтекучесть и сверхпроводимость?

7. Какими методами удалось изучить состав живой клетки и ее молекулярное строение? Каковы основные положения и значение клеточной теории в развитии биологии?

8. Какие виды изменчивости Вам известны, в чем их сходства и отличия? Какая форма изменчивости дает исходный материал для естественного отбора в природе? Докажите, что естественный отбор является направляющим фактором эволюции

10. Опишите основные этапы развития биосферы. Как представляет наука начало жизни на Земле? Каковы стадии происхождения жизни по концепции Опарина? Почему жизнь пока обнаружена только на нашей планете? Каковы современные представления о происхождения жизни? Суть идей Эйгена.

Список литературы

1. Что изучает химия, каковы основные этапы ее развития? Дайте понятие структурной и эволюционной химии

Химия - наука, изучающая вещества и их превращения. Превращения веществ происходят в результате химических реакций.

Первые сведения о химических превращениях люди получили, занимаясь различными ремеслами, когда красили ткани, выплавляли металл, изготавливали стекло. Тогда появились определённые приёмы и рецепты, но химия ещё не была наукой.

Не стала предшественницей химии и средневековая алхимия. Целью алхимиков был поиск так называемого философского камня, с помощью которого любой металл можно было бы превратить в золото. Разумеются их усилия остались бесплодными. Но поскольку они проводили различные опыты, им удалось сделать несколько важных практических изобретений. Стали использоваться печи, реторы, колбы, аппараты для перегонки жидкостей. Алхимики приготовили важнейшие кислоты, соли и оксиды, описали способы разложения руд и минералов.

В наши дни химия стала мощным оружием цивилизации, сырьевой базой практически всех отраслей промышленности и сельского хозяйства. С ее помощью создаются лекарства и витамины, удобрения для повышения плодородия почвы и химические средства защиты растений. Уголь, нефть, газ и руды химия превращает в энергию и металлы, бетон и стекло, керамику и многочисленные органические соединения, в том числе такие, каких в природе не было и не могло быть.

Вооруженные знанием химии люди ведут синтез красителей, искусственных волокон, взрывчатых веществ, получают полупроводники и сверхпроводники, топливо для ракетных двигателей, новые строительные материалы. Ядерная энергетика также немыслима без знания химии.

Однако в химии до сих пор так много неясного и неоткрытого! Постоянно появляются новые области старой науки, новые вещества, новые методы их получения и исследования. Изучать химию трудно, но очень интересно. Особенно если с самого начала ты убедишься в том, что она вездесуща. Действительно, куда ни погляди - всюду вокруг нас объекты и явления этой замечательной науки - химические вещества и химические реакции.

Основная метаморфоза, которую претерпела химия в 20-м столетии, заключается в том, что из «экспериментальной науки о веществах и их превращениях» она превратилась в систему представлений, методов, знаний и теоретических концепций, направленных на изучение атомно-молекулярных систем (АМС). При этом основным средством описания, интерпретации, прогноза и использования АМС стала структура. Не будет большим преувеличением назвать всю современную химию структурной.

Разработана концепция эволюционного катализа, описывающая условия и закономерности существования, саморазвития, самоорганизации и прогрессивной эволюции элементарных открытых каталитических систем; обосновано выделение эволюционной химии как новой предметной области науки; предложена общая теория прогрессивной химической эволюции и биогенеза, описывающая на количественном уровне переход от высших проявлений химизма к жизни[1].

2. В чем сущность второго начала термодинамики? Приведите значения к.п.д. для тепловых станций. В чем состоит суть спора о «тепловой смерти Вселенной»? Какие приняты шкалы температур? Каков смысл абсолютного нуля температур?

Второй закон термодинамики в формулировке немецкого физика Р. Клаузиуса звучит так: «Теплота не переходит самопроизвольно от холодного тела к более горячему». С учётом введённого в термодинамику понятия энтропии как меры беспорядка системы Клаузиус снова сформулировал второй закон: энтропия замкнутой системы, т.е. системы, которая не обменивается с окружающей средой ни энергией, ни веществом, постоянно возрастает. А это означает, что такие системы эволюционируют в сторону увеличения в них беспорядка, хаоса и дезорганизации, пока не достигнут точки термодинамического равновесия, в которой всякое производство работы становится невозможным.

Переходя ко второму началу термодинамики, Клаузиус рассматривает круговые обратимые процессы и указывает, что в простом круговом процессе типа цикла Карно совершаются два вида превращений: переход теплоты в работу и переход теплоты более высокой температуры в теплоту более низкой температуры. Второе начало «должно выражать отношение между этими двумя превращениями». Оба эти превращения — «явления одинаковой природы» и в обратимом процессе могут замещать друг друга. Клаузиус формулирует второе начало как принцип эквивалентности превращения следующим образом:

«Если мы назовем эквивалентными два превращения, которые могут замещать друг друга, не требуя для этого никакого другого длительного изменения, то возникновение из работы количества теплоты Q, имеющего температуру Т, обладает эквивалентом Q/ф, а переход количества теплоты Q от температуры T1, к температуре Т2 имеет эквивалент Q (1/ф 2-1/ф 1), где ф есть некоторая функция температуры, независимая от рода процесса, с помощью которого совершаются превращения». Клаузиус показывает, что для обратимого кругового процесса сумма эквивалента равна нулю:

Это, по Клаузиусу, является математическим выражением второго начала. «Стоящее под знаком интеграла выражение dQ/ф, — пишет Клаузиус, —является дифференциалом некоторой связанной с состоянием тела величины, которая полностью определена, если известно состояние тела в рассматриваемый момент, хотя бы ничего не было известно о пути, по которому тело в рассматриваемое состояние пришло».

Суть спора о «тепловой смерти Вселенной» заключается в том, что Вселенная может исчезнуть, потому что системы, которая не обменивается с окружающей средой ни энергией, ни веществом, постоянно возрастает. А это означает, что такие системы эволюционируют в сторону увеличения в них беспорядка, хаоса и дезорганизации, пока не достигнут точки термодинамического равновесия, в которой всякое производство работы становится невозможным.

Как известно, средний КПД тепловой электростанции составляет 45%, и 55% внутренней энергии топлива преобразуется в тепловую энергию, утилизация которой в системах КВТЭ повышает общий КПД энергоисточников до 80-90%.

Предельно низкая температура, при которой давление идеального газа обращается в нуль, называют абсолютным нулем температуры.

 При приближении температуры к абсолютному нулю энергия теплового движения молекул приближается к нулю.

Абсолютный нуль температуры - начало отсчета абсолютной температуры по термодинамической шкале (шкале Кельвина). Абсолютный нуль температуры расположен на 273,16 К ниже температуры тройной точки воды (на 273,15 С ниже нуля температуры по шкале Цельсия;

 При абсолютном нуле температуры прекращаются хаотические движения атомов, молекул, электронов, определяющие температуру системы, но остаются их регулярные движения, подчиняющиеся квантовой механике, например нулевые колебания атомов в решетке, с которыми связана нулевая температура[2].

3. Охарактеризуйте реакции, лежащие в основе энергии звезд. Укажите проблемы энергетики, связанные с термоядерной реакцией

Излучение звезд поддерживается в основном за счет двух типов термоядерных реакций. У массивных звезд это реакции углерод-азотного цикла, а у маломассивных звезд типа Солнца это протон-протонные реакции. В первых углерод играет роль катализатора: сам не расходуется, но способствует превращению других элементов, в результате чего 4 ядра водорода объединяются в одно ядро гелия.

В принципе возможно великое множество других термоядерных реакций, но расчеты показывают, что при температурах, царящих в ядрах звезд, именно реакции этих двух циклов происходят наиболее интенсивно и дают выход энергии, в точности необходимый для поддержания наблюдаемого излучения звезд.

Как видим, звезда – это природная установка для управляемых термоядерных реакций. Если создать в земной лаборатории такие же температуру и давление плазмы, то и в ней начнутся такие же ядерные реакции. Но как удержать эту плазму в пределах лаборатории? Ведь у нас нет материала, который бы выдержал прикосновение вещества с температурой 10–20 млн. К и при этом не испарился. А звезде этого не требуется: ее мощная гравитация с успехом противостоит гигантскому давлению плазмы.

Пока в звезде протекают протон-протонная реакция или углерод- азотный цикл, она находится на главной последовательности, где проводит основную часть жизни. Позже, когда у звезды образуется гелиевое ядро и температура в нем повысится, происходит «гелиевая вспышка», т.е. начинаются реакции превращения гелия в более тяжелые элементы, также приводящие к выделению энергии.

Турбина атомной электростанции является тепловой машиной, определяющей в соответствии со вторым законом термодинамики общую эффективность станции. У современных атомных электростанций коэффициент полезного действия приблизительно равен. Следовательно, для производства 1000 МВт электрической мощности тепловая мощность реактора должна достигать 3000 МВт. 2000 МВт должны уносится водой, охлаждающей конденсатор. Это приводит к локальному перегреву естественных водоемов и последующему возникновению экологических проблем.

Однако, главная проблема состоит в обеспечении полной радиационной безопасности людей, работающих на атомных электростанциях, и предотвращении случайных выбросов радиоактивных веществ, которые в большом количестве накапливаются в активной зоне реактора. При разработке ядерных реакторов этой проблеме уделяется большое внимание. Тем не менее, после аварий на некоторых АЭС, в частности на АЭС в Пенсильвании (США, 1979 г.) и на Чернобыльской АЭС (1986 г.), проблема безопасности ядерной энергетики встала с особенной остротой[3].

Современная атомная энергетика базируется на расщеплении ядер атомов на два более легких с выделением энергии пропорционально потере массы. Источником энергии и продуктами распада при этом являются радиоактивные элементы. С ними связаны основные экологические проблемы ядерной энергетики.

Еще большее количество энергии выделяется в процессе ядерного синтеза, при котором два ядра сливаются в одно более тяжелое, но также с потерей массы и выделением энергии. Исходными элементами для синтеза является водород, конечным - гелий. Оба элемента не оказывают отрицательного влияния на среду и практически неисчерпаемы.

Результатом ядерного синтеза является энергия солнца. Человеком этот процесс смоделирован при взрывах водородных бомб. Задача состоит в том, чтобы ядерный синтез сделать управляемым, а его энергию использовать целенаправленно. Основная трудность заключается в том, что ядерный синтез возможен при очень высоких давлениях и температурах около 100 млн. °С. Отсутствуют материалы, из которых можно изготовить реакторы для осуществления сверхвысокотемпературных (термоядерных) реакций. Любой материал при этом плавится и испаряется.

Ученые пошли по пути поиска возможностей осуществления реакций в среде, не способной к испарению. Для этого в настоящее время испытываются два пути. Один из них основан на удержании водорода в сильном магнитном поле.

Несмотря на некоторые положительные результаты по осуществлению управляемого ядерного синтеза, высказываются мнения, что в ближайшей перспективе он вряд ли будет использован для решения энергетических проблем. Это связано с нерешенностью многих вопросов и с необходимостью колоссальных затрат на дальнейшие экспериментальные, а тем более промышленные разработки.

4. Опишите развитие представлений о свете. Как и кем было показано, что свет есть электромагнитная волна? В чем проявляются волновые свойства света?

Еще древние интересовались природой света и задавались вопросы, почему и как человек видит окружающий его мир. Пифагорейцы считали, что из глаза человека исходят невидимые истечения, которые ощупывают предмет и тем создают зрительное ощущение. Эмпедокл представлял, что такое излучение поступает не только из глаз, но и от светящихся тел. Платон, развивая эти представления, добавил, что «если флюиды подобны друг другу, то они крепко связываются» и создают ощущение увиденного. Демокрит считал, что светящиеся тела выделяют не флюиды, а мельчайшие атомы, которые могут попадать в глаз. Аристотель развивал взгляды атомистов, объясняя происхождение цветов смешиванием разных долей света и тьмы.

Свет обладает волновыми свойствами – дефракцией и интерференцией, которые корпускулярная теория могла объяснить только при огромном числе допущений и предположений. Для понимания явлений более сложных, чем рассматриваемые в геометрической оптике, создана физическая оптика. В ней не только рассматриваются волновые свойства света и его природа, но и устанавливаются границы применимости геометрической оптики как приближения к волновой[4].

В XVII веке возникло две теории света: волновая и корпускулярная. Корпускулярную теорию предложил Ньютон, а волновую – Гюйгенс. Согласно представлениям Гюйгенса свет – волны, распространяющиеся в особой среде – эфире, заполняющем все пространство. Две теории длительное время существовали параллельно. Когда одна из теорий не объясняла какого-то явления, то оно объяснялось другой теорией. Например, прямолинейное распространение света, приводящее к образованию резких теней нельзя было объяснить исходя из волновой теории. Однако в начале XIX века были открыты такие явления как дифракция и интерференция, что дало повод для мыслей, что волновая теория окончательно победила корпускулярную. Во второй половине XIX века Максвелл показал, что свет – частный случай электромагнитных волн. Эти работы послужили фундаментом для электромагнитной теории света. Однако в начале XX века было обнаружено, что при излучении и поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц.

Существует несколько способов определения скорости света: астрономический и лабораторные методы.

Впервые скорость света измерил датский ученый Ремер в 1676 г., используя астрономический метод. Он засекал время, которое самый большой из спутников Юпитера Ио находился в тени этой огромной планеты. Ремер провел измерения в момент, когда наша планета была ближе всего к Юпитеру, и в момент, когда мы находились немного (по астрономическим понятиям) дальше от Юпитера. В первом случае промежуток между вспышками составил 48 часов 28 минут. Во втором случае спутник опоздал на 22 минуты. Из этого был сделан вывод, что свету необходимо 22 минуты, чтобы пройти расстояние от места предыдущего наблюдения до места настоящего наблюдения. Зная  расстояние и время запаздывания Ио он вычислил скорость света, которая оказалась огромной, примерно 300 000 км/с.

В конце XIX-начале XX вв. ряд новых опытов заставил вновь вернуться представлению об особых световых частицах - фотонах. Было установлено, что свет имеет двойственную природу, сочетая в себе как волновые свойства, так и свойства, присущие частицам.

В одних явлениях, таких как интереренция, дифракция и поляризация, свет ведет себя, как волна, в других фотоэффект, эффект Комптона) - как поток частиц (фотонов). По современным представлениям свет имеет двойственную корпускулярно-волновую природу (в связи с этим принято говорить о корпускулярно-волновам дуализме): в одних случаях он ведет себя как электромагнитная волна, в других - как поток особых частиц или корпускул (фотонов). Согласно современным представлениям электромагнитная природа света - это лишь одна разновидность проявления света. Другая разновидность характеризуется его квантовой природой.

Экспериментальное подтверждение идеи де Бройля об универсальности корпускулярно-волнового дуализма, ограниченность применения классической механики к микрообъектам, диктуемая принципами дополнительности и неопределенности, а также противоречие целого ряда экспериментов применяемым в начале XX в. теориям привели к новому этапу развития физических представлений окружающего мира, ив особенности микромира — созданию квантовой механики, описывающей свойства микрочастиц с учетом их волновых особенностей. Ее создание и развитие охватывают периоде 1900 г. (формулировка Планком квантовой гипотезы) до 20-х годов XX в. и связано прежде всего с работами австрийского физика Э. Шредингера, немецкого физика В. Гейзенберга и английского физика П. Дирака.

Необходимость вероятностного подхода к описанию микрочастиц — важная отличительная особенность квантовой теории. Можно ли волны де Бройля истолковывать как волны вероятности, т. е. считать, что вероятность обнаружить микрочастицы в различных точках пространства меняется по волновому закону? Такое толкование волн де Бройля неверно уже хотя бы потому, что тогда вероятность обнаружить частицу в некоторых точках пространства может быть отрицательной, что не имеет смысла.[5]

Страницы: 1, 2