Контрольная работа по "Концепциям современного естествознания"

 

В изобарном процессе (p = const) работа, совершаемая газом, выражается соотношением A = p (V2 – V1) = p ΔV.

 

Первый закон термодинамики  для изобарного процесса дает: Q = U (T2) – U (T1) + p (V2 – V1) = ΔU + p ΔV.

 

При изобарном расширении Q > 0 – тепло поглощается газом, и газ совершает положительную  работу. При изобарном сжатии Q < 0 – тепло отдается внешним телам. В этом случае A < 0. Температура  газа при изобарном сжатии уменьшается, T2 < T1; внутренняя энергия убывает, ΔU < 0.

В изотермическом процессе температура газа не изменяется, следовательно, не изменяется и внутренняя энергия  газа, ΔU = 0.

Первый закон термодинамики  для изотермического процесса выражается соотношением Q = A.

 

Количество теплоты Q, полученной газом в процессе изотермического  расширения, превращается в работу над внешними телами. При изотермическом сжатии работа внешних сил, произведенная  над газом, превращается в тепло, которое передается окружающим телам.

 

Наряду с изохорным, изобарным и изотермическим процессами в термодинамике часто рассматриваются  процессы, протекающие в отсутствие теплообмена с окружающими телами. Сосуды с теплонепроницаемыми стенками называются адиабатическими оболочками, а процессы расширения или сжатия газа в таких сосудах называются адиабатическими.

 

Модель. Адиабатический процесс

В адиабатическом процессе Q = 0; поэтому первый закон термодинамики  принимает вид A = –ΔU,

т. е. газ совершает  работу за счет убыли его внутренней энергии.

 

На плоскости (p, V) процесс  адиабатического расширения (или  сжатия) газа изображается кривой, которая  называется адиабатой. При адиабатическом расширении газ совершает положительную  работу (A > 0); поэтому его внутренняя энергия уменьшается (ΔU < 0). Это приводит к понижению температуры газа. Вследствие этого давление газа при адиабатическом расширении убывает быстрее, чем при изотермическом .

Семейства изотерм (красные  кривые) и адиабат (синие кривые) идеального газа

 

 

В термодинамике выводится уравнение адиабатического процесса для идеального газа. В координатах (p, V) это уравнение имеет вид pVγ = const.

 

Это соотношение называют уравнением Пуассона. Здесь γ = Cp / CV – показатель адиабаты, Cp и CV – теплоемкости газа в процессах с постоянным давлением и с постоянным объемом . Для одноатомного газа  для двухатомного  для многоатомного

Работа газа в адиабатическом процессе просто выражается через температуры T1 и T2 начального и конечного состояний: A = CV (T2 – T1).

 

Адиабатический процесс  также можно отнести к изопроцессам. В термодинамике важную роль играет физическая величина, которая называется энтропией . Изменение энтропии в каком-либо квазистатическом процессе равно приведенному теплу ΔQ / T, полученному системой. Поскольку на любом участке адиабатического процесса ΔQ = 0, энтропия в этом процессе остается неизменной.

 

Адиабатический процесс (так же, как и другие изопроцессы) является процессом квазистатическим. Все промежуточные состояния  газа в этом процессе близки к состояниям термодинамического равновесия . Любая точка на адиабате описывает равновесное состояние.

 

Не всякий процесс, проведенный  в адиабатической оболочке, т. е. без  теплообмена с окружающими телами, удовлетворяет этому условию. Примером неквазистатического процесса, в  котором промежуточные состояния неравновесны, может служить расширение газа в пустоту. В первоначальном состоянии газ заполняет один из сосудов, а в другом сосуде – вакуум. После открытия вентиля газ расширяется, заполняет оба сосуда, и устанавливается новое равновесное состояние. В этом процессе Q = 0, т.к. нет теплообмена с окружающими телами, и A = 0, т.к. оболочка недеформируема. Из первого закона термодинамики следует: ΔU = 0, т. е. внутренняя энергия газа осталась неизменной. Так как внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры, температура газа в начальном и конечном состояниях одинакова – точки на плоскости (p, V), изображающие эти состояния, лежат на одной изотерме. Все промежуточные состояния газа неравновесны и их нельзя изобразить на диаграмме.

 

Расширение газа в пустоту –  пример необратимого процесса. Его  нельзя провести в противоположном  направлении.

 

 

 

 

 

 

51 вопрос.

Происхождение Земли.

Мы живем во Вселенной, а наша планета Земля является ее мельчайшим звеном. Поэтому, история возникновения Земли тесно связана с историей возникновения Вселенной. Кстати, а как она возникла? Какие силы повлияли на процесс становления Вселенной и, соответственно, нашей планеты? В наше время существует множество различных теорий и гипотез относительно этой проблемы. Величайшие умы человечества дают свои взгляды по этому поводу.

 

Значение термина Вселенная в естествознании более узкое и приобрело специфически научное звучание. Вселенная - место вселения человека, доступное эмпирическому наблюдению и проверяемое современными научными методами. Вселенную в целом изучает наука, называемая космологией, то есть наукой о космосе. Слово это не случайно. Хотя сейчас космосом называют все находящееся за пределами атмосферы Земли, не так было в Древней Греции, где космос принимался как «порядок», «гармония», в противоположность «хаосу» - «беспорядку». Таким образом, космология, в основе своей, как и подобает науке, открывает упорядоченность нашего мира и нацелена на поиск законов его функционирования. Открытие этих законов и представляет собой цель изучения Вселенной как единого упорядоченного целого.

 

Модель расширяющейся Вселенной. Наиболее общепринятой в космологии является модель однородной изотропной нестационарной горячей расширяющейся Вселенной, построенная на основе общей теории относительности и релятивистской теории тяготения, созданной Альбертом Эйнштейном в 1916 году. В основе этой модели лежат два предположения: 1) свойства Вселенной одинаковы во всех ее точках (однородность) и направлениях (изотропность); 2) наилучшим известным описанием гравитационного поля являются уравнения Эйнштейна. Из этого следует так называемая кривизна пространства и связь кривизны с плотностью массы (энергии). Космология, основанная на этих постулатах, - релятивистская.

 

Важным пунктом данной модели является ее нестационарность. Это определяется двумя постулатами  теории относительности: 1) принципом относительности, гласящим, что во всех инерциональных системах все законы сохраняются вне зависимости от того, с какими скоростями, равномерно и прямолинейно движутся эти системы друг относительно друга; 2) экспериментально подтвержденным постоянством скорости света.

Из принятия теории относительности  вытекало в качестве следствия (первым это заметил петроградский физик  и математик Александр Александрович  Фридман в 1922 году), что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно или расширяться, или сжиматься. На этот вывод не было обращено внимания вплоть до открытия американским астрономом Эдвином Хабблом в 1929 году так называемого «красного смещения».

 

Красное смещение - это  понижение частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра линии смещаются к его красному концу. Обнаруженный ранее эффект Доплера гласил, что при удалении от нас какого-либо источника колебаний, воспринимаемая нами частота колебаний уменьшается, а длина волны соответственно увеличивается. При излучении происходит «покраснение», то есть линии спектра сдвигаются в сторону более длинных красных волн.

 

Так вот, для всех далеких источников света красное смещение было зафиксировано, причем, чем дальше находился источник, тем в большей степени. Красное смещение оказалось пропорционально расстоянию до источника, что и подтверждало гипотезу об удалении их, то есть о расширении Мегагалактики - видимой части Вселенной.

Красное смещение надежно  подтверждает теоретический вывод  о нестационарности области нашей Вселенной с линейными размерами порядка нескольких миллиардов парсек на протяжении, по меньшей мере, нескольких миллиардов лет. В то же время кривизна пространства не может быть измерена, оставаясь теоретической гипотезой.

 

Модель Большого Взрыва. Наблюдаемая нами Вселенная, по данным современной науки, возникла в результате Большого взрыва около 15-20 млрд. лет назад. Представление о Большом Взрыве является составной частью модели расширяющейся Вселенной.

Все вещество Вселенной  в начальном состоянии находилось в сингулярной точке: бесконечная плотность массы, бесконечная кривизна пространства и взрывное, замедляющееся со временем расширение при высокой температуре, при которой могла существовать только смесь элементарных частиц. Затем последовал взрыв. «Вначале был взрыв. Не такой взрыв, который знаком нам на Земле и который начинается из определенного центра и затем распространяется, захватывая все больше и больше пространства, а взрыв, который произошел одновременно везде, заполнив с самого начала все пространство, причем каждая частица материи устремилась прочь от любой другой частицы», - писал в своей работе С. Вейнберг.

 

Что же было после Большого взрыва? Образовался сгусток плазмы - состояния, в котором находятся  элементарные частицы - нечто среднее между твердым и жидким состоянием, который и начал расширяться все больше и больше под действием взрывной волны. Через 0,01 сек после начала Большого Взрыва во Вселенной появилась смесь легких ядер. Так появились не только материя и многие химические элементы, но и пространство и время.

 

Космическая пыль. Возраст  нашей планеты Земля составляет около 5 млрд. лет. Общепринята гипотеза, по которой Земля и все планеты  сконденсировались из космической  пыли, расположенной в окрестностях Солнца. Предполагается, что частицы пыли состояли из железа с примесью никеля, либо из силикатов, в состав которых входит кремний. Газы тоже присутствовали, и они конденсировались, образуя органические соединения, в состав которых входит углерод. Затем образовались углеводороды (соединения углерода с водородом) и соединения азота.

 

Из гипотез происхождения  солнечной системы наиболее известна электромагнитная гипотеза шведского  астрофизика Х. Альвена, усовершенствованная  Ф. Хойлом. Альвен исходил из предположения, что некогда Солнце обладало очень сильным электромагнитным полем. Туманность, окружавшая светило, состояла из нейтральных атомов. Под действием излучений и столкновений атомы ионизировались. Ионы попадали в ловушки из магнитных силовых линий и увлекались вслед за вращающимся светилом. Постепенно Солнце теряло свой вращательный момент, передавая его газовому облаку.

 

Слабость предложенной гипотезы заключалась в том, что  атомы наиболее легких элементов  должны были ионизироваться ближе к  Солнцу, атомы тяжелых элементов - дальше. Значит, ближайшие к Солнцу планеты должны были бы состоять из наилегчайших элементов - водорода и гелия, а более отдаленные - из железа и никеля. Наблюдения говорят об обратном.

 

Чтобы преодолеть эту  трудность, английский астроном Ф. Хойл предложил новый вариант гипотезы. Солнце зародилось в недрах туманности. Оно быстро вращалось, и туманность становилась все более плоской, превращаясь в диск. Постепенно диск начинал тоже разгоняться, а Солнце тормозилось. Момент количества движения переходил к диску. Затем в нем образовались планеты. Если предположить, что первоначальная туманность уже обладала магнитным полем, то вполне могло произойти перераспределение углового момента.

 

Известна также гипотеза образования планет Солнечной системы  из холодного газопылевого облака, окружающего Солнце, предложенная советским ученым Отто Юльевичем Шмидтом.

 

Развитие Земли.

Древнейшая Земля весьма мало напоминала планету, на которой  мы сейчас живем. Её атмосфера состояла из водяных паров, углекислого газа и, по одним, - из азота, по другим - из метана и аммиака. Кислорода в воздухе безжизненной планеты не было, в атмосфере древней Земли гремели грозы, её пронизывало жёсткое ультрафиолетовое излучение Солнца, на планете извергались вулканы. Исследования показывают, что полюса на Земле менялись, и когда-то Антарктида была вечнозеленой. Вечная мерзлота образовалась 100 тыс. лет назад после великого оледенения.

 

В XIX веке в геологии сформировались две концепции развития Земли: 1) посредством скачков («теория катастроф» Жоржа Кювье); 2) посредством небольших, но постоянных изменений в одном и том же направлении на протяжении миллионов лет, которые, суммируясь, приводили к огромным результатам («принцип униформизма» Чарльза Лайелля).

 

Успехи физики XX века способствовали существенному продвижению в познании истории Земли. В 1908 году ирландский ученый Д. Джоли сделал сенсационный доклад о геологическом значении радиоактивности: количество тепла, испущенного радиоактивными элементами, вполне достаточно, чтобы объяснить существование расплавленной магмы и извержение вулканов, а также смещение континентов и горообразование. С его точки зрения, элемент материи - атом - имеет строго определенную длительность существования и неизбежно распадается. В следующем 1909 году русский ученый В. И. Вернадский основывает геохимию - науку об истории атомов Земли и ее химико-физической эволюции.

 

В соответствии с современными взглядами температура ядра Земли  может быть низкой, а процессы в  земной коре имеют радиоактивную  природу. Сначала Земля была холодной. Атомы радиоактивных элементов, распадаясь, выделяли тепло, и недра разогревались. Это повлекло за собой выделение газов и водяных паров, которые, выходя на поверхность, положили начало воздушной оболочке и океанам.

 

В 1915 году немецкий геофизик А. Вегенер предположил, исходя из очертаний континентов, что в карбоне (геологический период) существовал единый массив суши, названный им Пангеей (греч. «вся земля»). Пангея раскололась на Лавразию и Гондвану. 135 млн. лет назад Африка отделилась от Южной Америки, а 85 млн. лет назад Северная Америка - от Европы; 40 млн. лет назад Индийский материк столкнулся с Азией и появились Тибет и Гималаи.

 

Решающим аргументом в пользу принятия данной концепции  А. Вегенера стало эмпирическое обнаружение в конце 50-х годов расширения дна океанов, что послужило отправной точкой создания тектоники литосферных плит. В настоящее время считается, что континенты расходятся под влиянием глубинных конвективных течений, направленных вверх и в стороны и тянущих за собой плиты, на которых плавают континенты. Эту теорию подтверждают и биологические данные о распространении животных на нашей планете. Теория дрейфа континентов, основанная на тектонике литосферных плит, ныне общепринята в геологии.

 

53 вопрос.

 

Концепции возникновения жизни.

 

       Существует  пять концепций возникновения  жизни:

  1. Жизнь была создана  Творцом в определённое время  – креационизм.

  2. Жизнь возникла  самопроизвольно из неживого  вещества (её  придерживался