Контрольная работа по Концепции Современного Естествознания

Оба эти процесса зависят  от внешних условий. В некоторых случаях между ними устанавливается динамическое равновесие, когда число молекул, покидающих жидкость, становится равным числу молекул, возвращающихся в нее. Опыт показывает, что насыщенный пар, или пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, не подчиняется закону Бойля — Мариотта, поскольку его давление не зависит от объема. Процессы испарения и конденсации воды обуславливают сложные взаимодействия атмосферы и гидросферы, имеют важное значение в формировании погоды и климата. Между атмосферой и гидросферой происходит непрерывный обмен веществом (круговорот воды) и энергией.

Исследования показали, что с поверхности Мирового океана, составляющего 94 % земной гидросферы, за сутки испаряется около 7 000 км³ воды и примерно столько же выпадает в виде осадков. Водяной пар, увлекаемый конвекционным движением воздуха, поднимается вверх и попадает в холодные слои тропосферы. По мере подъема пар становится все более насыщенным, затем конденсируется, образуя дождевые и облачные капли. В процессе конденсации пара в тропосфере за сутки выделяется около 1,6-10²² Дж теплоты, что в десятки тысяч раз превосходит вырабатываемую человечеством энергию за то же время.

Если процесс перехода жидкости в пар происходит во всем объеме, то его называют кипением. Разрыв пузырьков у поверхности кипящей жидкости свидетельствует, что давление пара в них превышает давление над поверхностью жидкости.

Поздней осенью, когда после сырой  погоды наступает резкое похолодание, на ветвях деревьев и на проводах можно наблюдать иней — это десублимировавшие кристаллики льда. Подобное явление используют при хранении мороженого, когда углекислота охлаждается, так как переходящие в пар молекулы уносят энергию. На Марсе явления сублимации и десублимации углекислоты в его полярных шапках играют такую же роль, что и испарение — конденсация в атмосфере и гидросфере Земли.

5. в чем уникальность строения атома углерода и почему он так распространен в соединениях. Почему нашу жизнь иногда называют углеродной.

С точки зрения химии жизнь — это всевозможные превращения разнообразных крупных и сложных молекул, главным элементом которых является углерод. Он важен не с точки зрения распространенности на Земле, в земной коре углерода всего 0,055 %, в то время как кислорода 60,50 %, кремния 20,45 % и даже титана 0,27 %. В атмосфере двуокиси углерода 0,03 %, т. е. углерода всего 0,008 %. Все биологически функциональные вещества, кроме нескольких солей и воды, содержат углерод. Это белки, жиры, углеводы, гормоны, витамины. Число соединений углерода огромно. Они называются органическими соединениями, поскольку когда-то считалось, что такие молекулы могут образовываться только в живых организмах.

Органическая химия  посвящена изучению углерода и его  соединений. Атомный номер углерода — 6, его ядро содержит шесть протонов и шесть нейтронов, вокруг ядра вращаются шесть электронов, масса атома С равна 12. При химических реакциях углерод способен присоединить 4 электрона и образовать устойчивую оболочку из восьми электронов, т. е. имеет валентность, равную четырем, и способен к прочной ковалентной (присоединением электронов) связи. Например, эмпирическая формула одного из таких прочных соединений — метана — СН₄, а в структурном изображении — это тетраэдр (четыре симметричные связи углерода).

Уникальным свойством углерода является его способность образовывать стабильные цепи и кольца, которые обеспечивают разнообразие органических соединений, причем эти связи могут быть кратными. При этом важно расположение атомов в пространстве, которое приводит к оптической активности вещества, к отличию в повороте плоскости поляризации проходящего света  (рис. 1). Структурные формулы наглядно отражают связь формулы со свойствами вещества, с их помощью стало возможным объяснение изомерии и предсказание свойств неизвестных еще соединений.

Рис. 1. Способы соединения атомов углерода друг с другом Черточки со свободными концами при каждом атоме углерода показывают, что он может образовывать связи с атомами других элементов (обычно это водород, кислород, азот, сера)

Зная валентность углерода, можно достаточно просто изобразить положение всех недостающих водородных атомов, что позволяет сосредоточить внимание на наиболее важных связях и химических группах. Такие прочные ковалентные связи углерод может образовывать и с атомами других элементов (Н, О, Р, N, S), и с углеродными (С-С связь). Внутреннее отличие органики от большинства неорганических соединений выражается в том, что химические связи, как правило, в органических соединениях валентные, а ионные связи — очень редки.  Поэтому углерод обладает этими уникальными свойствами, среди которых еще не отмечена способность соединений углерода к полимеризации и поликонденсации, а наша жизнь называется углеродной.

6. Преобразования энергии и круговорот веществ в природе. Чем они отличаются и что между ними общего.

Биосфера представляет из себя единство живого и минеральных  элементов, вовлеченных в сферу  жизни. Она распределена по земной поверхности  крайне неравномерно и в различных  природных условиях принимает вид относительно независимых комплексов — биогеоценозов (или экосистем). Живая часть биогеоценоза — биоценоз - состоит из популяций организмов разных видов.

Одним из самых больших достижений науки в XX в. является выяснение механизмов превращения энергии в биологических системах Сейчас уже понятно, как солнечная энергия преобразуется в специальных пигментных структурах растений в энергию химических связей, как превращаются вещества в процессах брожения и гликолиза (окисление углеводов без кислорода), как происходит внутриклеточное дыхание — перенос электронов в митохондриях от коферментов к кислороду. В центре этих превращений в клетке находится АТФ, которая синтезируется из АДФ и Н₃РО₄ за счет световой энергии или энергии, выделяемой при гликолизе, брожении или дыхании. При гликолизе АТФ выделяется энергия, необходимая для совершения всей работы живого организма — от создания градиентов концентрации ионов и сокращения мышц до синтеза белка.

Биосфера улавливает лишь небольшую часть солнечной  энергии, поступающей на Землю. Ультрафиолетовая часть солнечного излучения, которая  составляет 30 % всей солнечной энергии, доходящей до Земли, практически полностью задерживается атмосферой. Половина поступающей энергии превращается в тепло и затем излучается в космическое пространство, 20% расходуется на испарение воды и образование облаков и только около 0,02 % используется биосферой. Зеленые растения усваивают эту энергию, поглощая молекул».) хлорофилла, и процессе фотосинтеза преобразуют ее и запасают и форме сахарен.  От этого процесса зависит нее существование биосферы.

Животные, поедая растения, а хищники — травоядных животных, освобождают для себя эту энергию, сжигая сахара и другие питательные вещества при помощи кислорода. Переработка пищи в организмах сопровождается выделением энергии, при этом часть ее запасается в форме химической энергии и используется для совершения работы. В отличие от простейших существ, у которых сжигание веществ может происходить в любой части организма, высшие животные обладают специальной системой, распределяющей по организму кислород и энергоносители. В легких кровь поглощает кислород и выделяет углекислый газ, в кишечнике она получает питательные вещества. Процессы переваривания пищи обеспечивают разложение сложных компонентов пищи на более простые, которые усваиваются кишечником и поступают в кровь, при этом высвобождается энергия. Конечные продукты обмена веществ (избыток солей, воды, чужеродные и токсичные соединения) поступают через почки в мочу и выводятся из организма.

Животные не получают необходимую  им энергию непосредственно от Солнца. Для добывания пищи им нужна сенсорная система ее обнаружения (глаза, уши, нос или сонар — ультразвуковой локатор, иные органы) и мускульная система, приводящая в движение их органы (руки, ноги, плавники, крылья и т.д.). Кроме того, у растений и животных имеются регулирующие системы — железы, выделяющие гормоны, и нервная система. В организме постоянно совершается работа: перекачивается кровь, поглощаются питательные вещества, происходят процессы возбуждения молекул, в которых запасается энергия, выводятся отходы жизнедеятельности и вредные вещества и т. д. Для создания упорядоченных систем (высокого уровня генетической или нервной организации) тоже необходима энергия. Эффективное функционирование всех систем обеспечивается также информацией о внешнем и внутреннем окружении. Работа состоит в выработке сигналов, которые регулируют энергетические процессы, организуют биоструктуры, контролируют расход энергии на разные раздражители и т. п.

Удовлетворение энергетических потребностей организмов происходит в рамках равновесия, которое устанавливается между различными организмами данной среды обитания (экосистемы). Среди обитателей обычно выделяют два типа организмов: одни способны непосредственно использовать солнечную энергию и перерабатывать

в пищу вещества из неживой  окружающей среды (автотрофы), другие зависят от остальных производителей энергии, т. е. сами не производят необходимую им пищу {гетеротрофы). Все элементы, из которых построены организмы, многократно используются в биосфере, тем более, что масса всего живого, когда-либо заселявшего Землю, много больше массы самой Земли. Обмен энергии в биосфере отличается от круговорота веществ в ней. Частично энергия рассеивается при переходе от продуцентов (зеленых растений) к травоядным, а затем и к плотоядным животным (редуцентам), поэтому необходима постоянная подпитка биосферы солнечной энергией.

Основу биосферы составляет биотический круговорот органических веществ при участии всех населяющих ее организмов. В закономерностях этого круговорота решена проблема развития и длительного существования жизни. Мы не говорим "бесконечного", потому что все на земле имеет конец: сама Земля представляет собой ограниченное тело, конечен запас минеральных элементов и т. д. "Единственный способ придать ограниченному количеству свойство бесконечного, — писал академик В. Р. Вильяме, — это заставить его вращаться по замкнутой кривой. Зеленые растения создают органическое вещество, незеленые разрушают его. Из минеральных соединений, полученных из распада органического вещества, новые зеленые растения строят новое органическое вещество и так без конца".

Жизнь на Земле идет именно таким путем. Каждый вид — это  только звено в биотическом круговороте. Непрерывность жизни обеспечивается процессами синтеза и распада, каждый организм отдает или выделяет то, что используют другие организмы. Особенно велика в этом круговороте роль микроорганизмов, которые превращают остатки животных и растений в минеральные соли и простейшие органические соединения, вновь используемые зелеными растениями для синтеза новых органических веществ. При разрушении сложных органических соединений высвобождается энергия, теряется информация, свойственная сложно организованным существам. Любая форма жизни участвует в биотическом круговороте, и на нем основана саморегуляция биосферы. Микроорганизмы при этом играют двоякую роль: они быстро приспосабливаются к разным условиям жизни и могут использовать различные субстраты в качестве источника углерода и энергии. Высшие организмы не обладают такими способностями и потому располагаются выше одноклеточных в экологической пирамиде, опираясь на них, как на фундамент.

Биотический круговорот состоит из разных круговоротов, причем каждый биоценоз представляет модель биосферы в миниатюре. Важны и исторические факторы формирования биоценоза, и климат, и ландшафт, и многое другое.  Например, экосистема леса включает биоценозы различных типов лесов — хвойные, лиственные, тропические, каждый из которых характеризуется своим круговоротом веществ. В этом  мне кажется проявляется отличие биотического круговорота от круговорота энергии, второе отличие: по закону сохранения энергии энергия не возникает ниоткуда и не уходит в никуда, т.е. преобразование энергии вечно (именно в данном круговороте энергии), а круговорот веществ в природе имеет свое окончание, как уже было сказано выше.

7. Какие виды взаимодействий Вы знаете и какие из них играют важную роль в повседневной жизни и почему.

В настоящее время  известны четыре типа взаимодействий: гравитационные, слабые, электромагнитные и сильные. Физике XVII—XVIII вв. были известны только гравитационные взаимодействия. Было найдено, что гравитационные силы прямо пропорциональны произведению масс и обратно пропорциональны квадрату расстояния между массами. Мы постоянно ощущаем гравитацию в нашей жизни. Гравитация (лат gravifas "тяжесть"), или тяготение, не очень существенна при взаимодействии между малыми частицами, но она удерживает планеты, всю Солнечную систему и галактики. По закону всемирного тяготения (открытого Ньютоном), описывающему это взаимодействие в хорошем приближении, две точечные массы притягивают друг друга с силой, направленной вдоль соединяющей их прямой: F_гр= - Gm₁*m₂/r²

Знак минус указывает, что мы имеем дело с притяжением, r — расстояние между телами (считается, что размер тел много меньше г), m₁ и m₂ — массы тел. Величина G — универсальная постоянная, определяющая величину гравитационных сил. Если тела массами в 1 кг находятся на расстоянии 1 м друг от друга, то сила притяжения между ними равна 6,67-10¹¹ Н. Если бы величина G была больше, то увеличилась бы и сила. Утверждение об универсальности постоянной G означает, что в любом месте Вселенной и в любой момент времени сила притяжения между массами в 1 кг, разделенными расстоянием в 1 м, будет иметь то же значение. Поэтому можно говорить об универсальности постоянной G и о том, что она определяет структуру гравитирующих систем.

Обратимся теперь к электромагнитному  взаимодействию. И электрические, и магнитные силы обусловлены электрическими зарядами. Силы взаимодействия между зарядами сложным образом зависят от положения и движения зарядов. Если два заряда  e1 и е2, неподвижны и сосредоточены в точках на расстоянии г, то взаимодействие между ними чисто электрическое и определяется простой зависимостью (закон Кулона):