Термодинамика. Основные физические принципы

Законы естествознания делятся на динамические и статистические. Динамические законы выражают жесткие однозначные связи между при­чиной и следствием. Статистические законы имеют вероятностный характер, здесь учитывается момент случайности. Статистический параметр является усредненным результатом взаимодействия множества объектов.

Статистическая механика, появившаяся во второй половине XIX в. была первой статистической физической теорией. На ее основе были сделаны открытия в области термодинамики и молекулярной физики. Современное естествознание исходит из того, что причинно-следственные связи имеют статистический характер. Механистическая картина мира была построена на основе динамических законов.

Классическая физика задает однозначные величины для состояния и движения объекта. Динамические законы действуют для небольших систем, состоящих из небольшого количества частиц.

Термодинамика - раздел физики, изучающий закономерности перехода энергии из одного вида в другой. Теплота измеряется в калориях и килокалориях. Калория - количество теплоты, необходимое для увеличения температуры 1 г воды. В своей повседневной жизни человек весом 70 кг расходует в среднем 2440 ккал в сутки. Коэффициент полезного действия - КПД человеческого организма оценивается в 25%. Т.е. при сжигании пищи только 1/4 часть энергии переходит в работу.

Первое начало термодинамики (закон сохранения и превращения энергии): Тепло, сообщенное системе, расходуется на изменение ее внут­ренней энергии и на совершение системной работы против внешних сил.

С открытием этого закона стало ясно, что никакой двигатель не может работать, если извне не поступает энергия, и не может совершать работу большую, чем полученная им энергия. Если предположить, что существует двигатель, который работает, не получая энергию извне, мы имели бы дело с вечным двигателем первого рода. Исходя из первого начала термодинамики, можно сказать: вечный двигатель невозможен.

Первая формулировка закона сохранения и превращения энергии рассматривала его только применительно к тепловым процессам, но впо­следствии стало ясно, что этот закон применим для всех процессов и всех видов энергии.

На практике процессы, протекающие с точки зрения первого закона термодинамики, не являются равноценными в отношении направления их протекания и даже невозможными. Так, работа переходит в теплоту, т.е. упорядоченное движение целиком и самопроизвольно переходит в неупо­рядоченное. За счет внешнего вмешательства теплота может перейти в работу (не полностью), т.е. неупорядоченное движение переходит в упорядоченное. Такая особенность процессов называется необратимостью. С нею связано второе начало термодинамики - закон возрастания энтропии в изолированных системах.

Суть этого закона: теплота не может сама собой переходить от менее нагретого тела к более нагретому.

Все процессы необратимы. Энтропия характеризует состояние системы и направленности протекания процессов. Этот термин ввел Р. Клаузиус в 1865 г., использовав греческое слово "превращение". Энтропия - мера отклонения реальных процессов от идеальных, ибо при термически изолированных (замкнутых) системах при обратимых процессах энтропия остается неизменной, а при реальных и необратимых системах всегда по­ложительно изменяется.

Второй закон термодинамики имеет большое значение для анализа процессов в замкнутых системах. Однако попытка Клаузиуса применить его на уровне мегамира была неудачной. Аналогично процессам в макро­системах, ученый сделал вывод, что энтропия Вселенной также стремится к максимуму, иными словами - Вселенная движется к состоянию равновесия. Получалось, что все виды энергии превращаются в энергию теплового движения, которая равномерно рассеивается по пространству. Таким обра­зом, температура всех тел во Вселенной выравнивается, что в конце концов должно привести к "тепловой смерти "Вселенной.

Но бесконечная Вселенная не подчиняется законам для замкнутых макросистем, поэтому второе начало термодинамики здесь неприменимо. Каждый закон имеет свои границы применимости.

Порядок и беспорядок

В классической физике рассматривались только упорядоченные системы - их поведение можно предсказать точно и однозначно.

Сейчас естествознание признает, что абсолютное большинство систем эволюционирует от порядка к беспорядку. Это происходит потому, что фактически все реальные системы обладают неустойчивостью движения, они являются открытыми и диссипативными.

Открытость - это взаимодействие системы с окружающим миром. Диссипативность - рассеяние энергии, например, из-за силы трения.

Существуют разные пути перехода из состояния порядка в состояние хаоса. Точки расхождения путей развития системы называются бифур­кациями. Динамические законы действуют в системе между бифуркациями. Особенно подвержены бифуркациям диссипативные системы, здесь благодаря силе трения энергия упорядоченного движения переходит в энергию хаотического теплового движения. Следовательно, к таким систе­мам невозможна применить однозначный эволюционный путь. Бифуркация приводит к тому, что даже небольшое воздействие на систему имеет непредсказуемые результаты.

Проблема порядка и хаоса имеет и другую сторону: существует множество открытых систем, которые более упорядочены, нежели каждый их элемент в отдельности. Например, человеческий организм более упорядочен, чем набор живых клеток. Или машина упорядоченнее, чем набор деталей. Эта проблема еще раз показывает ограниченность второго начала термодинамики.

Проблема движения (семинар)

Точка зрения, что тело движется благодаря воздействию силы, гос­подствовала до Г. Галилея. Он пришел к выводу, что если на тело не дей­ствуют никакие силы, то это тело или покоится, или движется равномерно и прямолинейно. Таким образом, был сформулирован первый закон механики - закон инерции. Но что будет, если на тело действует постоянная сила? Тогда скорость тела будет меняться, при этом в движении будет сохраняющая величина - ускорение. Дальнейшее развитие этой проблемы в физике привело к открытию закона сохранения импульса (количества движения). Р. Декарт первым сформулировал мысль о сохранении движения. Он писал, что «если некоторая часть материи покоится, она сама по себе не начнет двигаться. Мы не имеем также оснований полагать, чтобы, раз она стала двигаться, она когда-либо прекратила это движение или чтобы оно ослабло, пока не встретилось что-либо его прекращающее или ослабляющее».

Закон сохранения импульса: импульс замкнутой системы есть вели­чина постоянная.

Но количество движения не может быть общей мерой, т. к. оно час­то не сохраняется. Поэтому Г. Лейбниц в 1688 г. предложил в качестве но­вой меры движения так называемую «живую силу» - произведение массы на квадрат скорости. Он противопоставлял ее «мертвой силе» - потенциальной энергии. Понятие «живой силы» подготовило открытие закона сохранения и превращения энергии.

Одним из основных видов движения является вращение, ему соот­ветствует определенная энергия. Речь идет о вращении в поле тяготения. При вращении изменение положения тела ведет к изменению энергии. Значит, существует сила, связанная с вращением. Сила, пропорциональная расстоянию от центра вращения и направленная к радиусу от центра, назы­вается центробежной. Противоположно направленная сила называется центростремительной. Вращение планет центростремительное, его источник - гравитация.

Другой вид движения - волновое движение. Важнейшие характеристики волн: энергия, импульс и скорость. Составная часть волны - простое гармоническое движение. Примером его может служить масса, колеблю­щееся на пружине.

Волны - это процесс распространения колебаний. Волна, возбуж­даемая гармоническим источником, называется монохроматической. Если колеблющихся частиц много и они связаны между собой, то движение од­ной частицу влияет на движение другой и образуется волновое движение. На каждую частицу влияют силы, которые стремятся вернуть ее в первона­чальное положение. Если среда не очень возмущена, волновое движение подчиняется принципу суперпозиции.

Принцип суперпозиции: два импульса могут распространяться по одной и той же пружине в разных направлениях совершенно независимо. Если два импульса проходят через пружину и друг через друга, смещение пружины оказывается равным сумме отдельных смещений. Импульсы, равные во всех отношениях, гасят друг друга в момент встречи (если имеют противоположные знаки) или складываются (при одинаковом направлении распространения).

Волны, частицы которых перемещаются в закрепленной с одного конца струне перпендикулярно направлению распространения волны, называются поперечными. Поперечные волны распространяются в твердых материалах, даже звук в твердых материалах распространяется в виде поперечных волн. Поскольку среда плотная, скорость звука выше, чем в газе.

Волны, частицы распространения "взад-вперед", называются продольными. Например, распространение звука в газе. При нормальных условиях звуковые волны в воздухе распространяются со скоростью 330 м/с.

Волны могут отражаться и преломляться. Они бывают плоскими и трехмерными. Если плоская волна попадает на преграду со щелью, то воз­никает явление дифракции. За отверстием свет отклоняется. При размерах щели на препятствии меньших, чем длина волны, щель становится как бы точечным источником света, и появляется круговая волна, излучаемая ще­лью. Если щелей несколько, происходит сложение волн. Это явление назы­вается интерференция. Интерференция возникает и при распространении волны от нескольких источников. Интерференция наблюдается и для попе­речных, и для продольных волн.

Эффект Доплера: частота волнового импульса при движении меняется относительно наблюдателя.

Например, когда проносится поезд, его сигнал для человека, стоящего на платформе, меняется - от высокого до низкого звука. Эффект Доплера дал метод для измерений скоростей звезд и галактик. Т.к. спектры галактик слабы, измерить их трудно. А применяя эффект Доплера к лучевым скоростям галактик, возможно вычислить их расстояние.

Принцип симметрии

Симметрия - это степень упорядоченности какой-либо системы или объекта. В более узком смысле, симметрия - неизменность каких-либо свойств и характеристик объекта по отношению к определенным преобра­зованиям. Понятие симметрии применимо к физическому закону. Теория относительности говорит о том, что все физические законы имеют одина­ковый вид во всех инерциальных системах отсчета, т.е. они симметричны (инвариантны) относительно перехода от одной инерциальной системы к другой. Так как существуют разные способы переходов, существуют и раз­личные виды симметрии. Каждому виду соответствует свой закон сохране­ния (согласно теореме Эмми Нетер).

Теорема Нетер: если свойства системы не меняются от какого-либо преобразования переменных; то этому соответствует некоторый закон со­хранения.

Способы перехода от одной инерциальной системы к другой:

1. Сдвиг начала координат. Такой способ преобразования связан с однородностью всех точек пространства, т.е. с его однородностью. В этом случае говорят о симметрии относительно переносов в пространстве.

2. Поворот тройки осей координат. Это возможно в силу изотропности пространства по всем направлениям. Здесь речь идет о симметрии относительно поворотов.

3. Сдвиг начала отсчета во времени. Этот способ преобразования связан с однородностью времени, которое равномерно течет во всех инерциальных точках отсчета. Кроме того, различные моменты времени эквивалентны, т.е. физические явления протекают одинаково независимо от времени их начала. Здесь речь идет о симметрии относительно переноса во времени, т.е. с однородностью времени.

4. Переход от покоящейся системы к системе, движущейся равномерно и прямолинейно. Такая система условно называется изотропностью пространства-времени.

Все четыре вида симметрии являются универсальными. Это означает, что соответствующие им законы сохранения являются фундаментальными. Ими являются закон сохранения импульса как следствие однородности пространства, закон сохранения момента импульса как следствие изотропности пространства. Закон сохранения энергии связан с однородностью времени. Четвертый вид симметрии (изотропность пространства-времени) приводит к закону сохранения скорости центра масс.

Относительно вращающихся систем отсчета физические законы не являются симметричными. При масштабном преобразовании системы фи­зические законы также не симметричны. Следовательно, законы макромира не переносимы автоматически на микро- и мегамиры.

Вышеописанные виды симметрии, связанные со способами перехода от одной системы к другой, являются универсальными. Соответствующие им законы сохранения носят фундаментальный характер.

С симметрией же связано и отличие живого от неживого. Живые молекулы обладают зеркальной симметрией, а неживые могут быть и зер­кально симметричны, и зеркально асимметричны. Свойства зеркальной ис-симметрии молекул называются киральностью. Неживые молекулы могут быть и левой, и правой ориентации, т.е. они кирально нечистые. Живые могут быть только какой-то одной ориентации, например, молекула ДНК имеет вид правой спирали. Живой организм создает кирально чистые мо­лекулы. Есть гипотеза, что жизнь возникла вследствие нарушения сущест­вовавшей тогда зеркальной симметрии.

Как показывает ход развития природы, в биологических и химических процессах симметрия все больше вытесняется асимметрией.

Электромагнитные теории. Электродинамика

Первые выводы об электричестве были сделаны еще древними учеными. Было выяснено, что существуют два вида электричества - положительные и отрицательные. Это разделение зарядов назвали электризацией. В XVIII в. было установлено, что одноименные заряды отталкиваются друг от друга, а разноименные притягиваются. Тогда же появился первый прибор, фиксирующий наличие электрического заряда - электроскоп. В XVIII в. было также установлено, что любое тело содержит в себе заряды. Так как половина их положительная, а другая половина отрицательная, они взаимно нейтрализуют друг друга. При электризации заряды между взаи­модействующими телами перераспределяются.

К началу XX в. стало ясно, что электрический заряд также состоит из зарядов. Эти элементарные заряды назвали кулонами (по имени открывшего их физика). Меньше кулона в природе в свободном состоянии зарядов не существует. Но и он бывает либо отрицательным, либо положительным. Наименьшая отрицательная частица называется электрон, а наименьшая положительная - протон. Значит, каждый электрический заряд состоит из более элементарных.

Закон сохранения электрического заряда: электрические заряды могут исчезать и появляться, при этом одновременно исчезает и появляется равное им количество противоположных им зарядов. Т.е. сумма зарядов остается неизменной, если система электрически изолирована.

Параллельно с исследованием электричества велись исследования магнетизма. Было замечено, что есть тела, которые без всякого трения, сами имеют способность притягивать к себе металл, и такие тела назвали магнитами.

До XIX в. электричество и магнетизм не рассматривались как что-то имеющее друг к другу отношение. Только в 1820 г. датский физик X. Эрстед открыл магнитное поле тока. Само понятие поля вошло в физику благодаря М. Фарадею.

Поле неподвижных зарядов называется электростатическим. Элек­трический заряд искажает свойства пространства, в котором находится. Это есть поле, которое он создает. Поле передает взаимодействие между зарядами. Силовой характеристикой силового поля является напряженность, которая равна силе, действующей на единичный заряд.

В дальнейшем исследование электричества пошло по двум направ­лениям: изучение электростатического поля и изучение электрического тока. Именно во втором направлении работал А. Ампер, выделивший новый раздел - электродинамику.

В дальнейшем идеи Ампера и Фарадея развил Дж. Максвелл. Он создал теорию, согласно которой изменяющееся магнитное поле создает вихревое электрическое поле, которое вызывает появление магнитного поля. Притом эти поля образуются не только в телах, но и в вакууме. Сам Максвелл писал: "Теория, которую я предлагаю, может быть названа теорией электромагнитного поля, потому что она имеет дело с пространством, окружающим электрические и магнитные тела, и она может быть названа также динамической теорией, поскольку она допускает, что в этом про­странстве имеется материя, находящаяся в движении, посредством которой и производятся наблюдаемые электромагнитные явления".

Мир - электродинамическая система, построенная из электрически заряженных частиц, которые взаимодействуют посредством электромаг­нитного поля.

Максвелл также открыл существование электромагнитных волн, скорость распространения которых равна скорости света. Разновидностью электромагнитных волн является и свет. Таким образом, Максвелл связал оптику с электричеством.

Теорию Максвелла дополнил Г.А. Лоренц. Он развил электронную теорию, которая с одной стороны опирается на теорию Максвелла, а с другой - на представление об атомарности электричества.

В результате открытий в области электромагнетизма изменилась картина мира. Ее ядром стала теория электромагнитного поля. Согласно ей, вещество и поле - два вида материи. Они разделены, их взаимопревращение невозможно. Главный вид материи - поле, следовательно, основное свойство материи - непрерывность. В электромагнетизме изменение одной сущности приводит к появлению другой сущности, т.е. изменение магнитного поля приводит к изменению электрического поля. Обе сущности образуют единое электромагнитное поле.

Свет

То, что свет - электромагнитная волна, стало известно только в ХIХ в.

В начале XIX в. были открыты инфракрасное и ультрафиолетовое излучения. Они невидимы.

Различные области спектра электромагнитных излучений имеют разные источники, но у них всех - единая природа. Отличаются они частотами.

Схема спектра электромагнитных излучений:

постоянный ток - Атмосферные помехи и переменный ток - АМ-радио -ЧМ-радио - радар, микроволны - инфракрасное излучение - видимый свет - ультрафиолетовое излучение - рентгеновское излучение -гамма-излучение.

Все среды, кроме вакуума, имеют дисперсию - зависимость показателя преломления электромагнитных волн от их частоты. Дисперсия возникает в результате вынужденных колебаний заряженных частиц в веществе под воздействием переменного тока электромагнитной волны. Дисперсия - это развертывание света в спектр. Ее изучение привело к изучению спектров элементов. Было установлено, что каждый элемент имеет свой характерный спектр. В результате был создан спектральный анализ, благодаря которому можно получить сведения о составе веществ на Земле и в Космосе. На основе спектрального анализа было доказано, что Вселенная состоит из одних и тех же элементов. Начало экспериментам в области дисперсии положил немецкий физик И. Фраунгофф. Впоследствии были составлены каталоги спектральных линий всех элементов. Спектры несут в себе информацию о качественном составе исследуемого объекта, об условиях, в которых происходит излучение. Спектр связан со строением атома, поэтому благодаря спектральному анализу наука может изучать глубинную структуру материи.

Корпускулярно-волновой дуализм

Корпускулярно-волновой дуализм света означает, что свет одновре­менно обладает свойствами непрерывных электромагнитных волн и свойствами дискретных фотонов. Этот фундаментальный вывод был сделан физиками в XX в. и вытекал из предшествующих представлений о свете.

Ньютон считал, что свет - поток корпускул, т.е. поток прямолинейно летящих частиц вещества. Такая теория хорошо объясняла прямолинейное распространение света. Но возникали затруднения при объяснении законов отражения и преломления, а явления дифракции и интерференции совершенно не могли быть объяснены корпускулярной теорией. Поэтому возникла волновая теория света. Эта теория объясняла дифракцию и ин­терференцию, но возникали трудности с объяснением прямолинейного света.

Только в XIX в. Ж. Френель, используя открытия других физиков, сумел объединить уже выведенные принципы в одну теорию, согласно которой свет - поперечная механическая волна. В дальнейшем Максвелл открыл, что свет - один из видов электромагнитного излучения. Но в начале XX в. благодаря открытиям Эйнштейна представления о свете опять изменились. Свет стал пониматься как поток фотонов. Но определенные свойства света прекрасно объяснялись и волновой теорией.

Свет обладает как корпускулярными, так и волновыми свойствами. При этом существуют следующие закономерности: чем короче длина волны, тем ярче проявляются корпускулярные свойства, чем больше длина волны, тем ярче проявляются волновые свойства.

Французский физик Л. де Бройль высказал идею, что Корпускулярно-волновой дуализм имеет универсальную природу, т.е. присущ всем частицам вещества. Позже эта гипотеза подтвердилась экспериментально.

Квантовая механика

В основе квантовой механики лежат идеи о квантовании физических величин и корпускулярно-волновом дуализме.

Квантованными называются те физические величины, которые мо­гут принимать лишь определенные дискретные значения. Их выражение через квантовые числа называется квантованием. Идея квантования стала развиваться в физике на рубеже ХIХ-ХХ вв. после того, как был открыт электрон. Заряд электрона оказался самым маленьким из существующих в природе в свободном состоянии, т.е. элементарным. Заряд любого тела со­стоит из множества элементарных зарядов, значит, электрический заряд дискретен.

Изучая тепловое излучение (т. е. излучение электромагнитных волн за счет внутренней, тепловой энергии тела), физики столкнулись с проблемой, которую назвали "ультрафиолетовая катастрофа". Из теории вытекало, что энергия излучения каждого нагретого тела во всем интервале длин волн равнялась бесконечности. Особенно это видно в области коротких волн. Это затруднение решил М. Планк. Он выдвинул гипотезу, согласно которой электромагнитное излучение испускается отдельными порциями -квантами, величина которых пропорциональна частоте излучения, т.е. цвету излучаемого света.

Если классическая физика считала, что энергия может изменяться непрерывно и принимать любые значения, то квантовая физика утверждает, что энергия может принимать только определенные, дискретные значения. Постоянную Планка, которую он вывел, назвали квантом действия. Это фундаментальная константа.

Идея использовать квант действия для объяснения законов фотоэффекта пришла в голову молодому А. Эйнштейну.

Фотоэффектом называется явление вырывания электронов из вещества под воздействием света.

Опыты, проводимые с фотоэффектом, показывали, что между пла­стинами устанавливается электрический ток, сила которого сначала быстро растет, потом наступает насыщение, притом фототек насыщения зависит только от светового потока, падающего на пластину. Энергия испускаемых электронов определялась частотой падающего света и природой вещества. Эйнштейн, развивая идею Планка, пришел к выводу, что фотоэффект ука­зывает на дискретное строение света, связанное с существованием квантов. Кванты электромагнитного излучения он назвал фотонами. Световой поток - это поток фотонов, падающих на пластину.

Согласно Эйнштейну, квантовость распространяется не только на испускание и поглощение, но и на само излучение. Каждый фотон взаимо­действует только с одним электроном, значит, число таких фотоэлектронов пропорционально световому потоку. Энергия каждого электрона идет 1) на преодоление силы, которая связывает электрон с веществом, 2) на превращение в собственную кинетическую энергию электрона.

Скорость фотоэлектронов увеличивается с частотой падающего из­лучения и не зависит от его плотности.

За исследования фотоэффекта Эйнштейн в 1922 г. получил Нобелевскую премину

Корпускулярно-волновой дуализм также лежит в основе квантовой механики. Квантовая механика показывает, что частицы и волны в разных условиях характеризуют один и тот же объект. Т.е. отличие их относительно, оба понятия необходимы при описании микрообъектов.

При проявлении у микрообъекта корпускулярных свойств волновые свойства существуют как потенциальная возможность, и при определенных условиях они могут стать реальностью, Значит, квантовый объект -нечто особое, не волна и не частица, и не обе они вместе. Чтобы иметь наиболее полное представление о микромире, надо использовать два вида приборов: один для изучения волновых свойств, другой - для изучения корпускулярных.

Названные свойства микрообъектов не могут проявиться одновременно, но они дополняют друг друга. Эту идею Н. Бор положил в основу принципа дополнительности, который является важным методологическим принципом современной науки. Вот слова самого Бора: "как бы далеко ни выходили явления за рамки классического физического объяснения, все опытные данные должны описываться при помощи классических понятий. Для полного описания квантово-механических явлений необходимо применять два взаимоисключающих ("дополнительных") набора классических понятий, совокупность которых дает наиболее полную информацию об этих явлениях как о целостных".

Бор вывел так называемый квантовый постулат. Согласно ему, при любом наблюдении квантовых явлений необходимо учитывать взаимодей­ствие этих явлений со средствами наблюдения. Это взаимодействие - не­делимый процесс, следовательно, нельзя приписывать самостоятельную реальность в обычном физическом смысле ни самому явлению, ни средствам наблюдения.

Принцип дополнительности Бора распространяется не только на фи­зику, но и другие науки, это вообще общий принцип познания. Б таком смысле его можно сформулировать так: Любое истинно глубокое явление природы не может быть определено однозначно при помощи нашего языка. Оно требует для своего определения как минимум двух взаимоисключающих понятий.

Принцип дополнительности применяется, например, в биологии, т. к. объект исследования этой науки очень сложен - это жизнь.

Дата добавления: 2014-02-28; просмотров: 536; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!