Контрольная работа по предмету «Концепции современного естествознания»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯСАНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ СЕРВИСА И ЭКОНОМИКИ

Контрольная работа                                               По предмету: «Концепции современного естествознания»

Тема: Первый закон  термодинамики. Принцип Пули и состояние  электронов в атомах.                                                    Принципы воспроизводства и развития живых систем.                                             Планета Марс

 

 

 

                                                        Студент  1 курса группы 0800100.62(экономика)

                                                 Федорова Алёна Константиновна.

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2012

Содержание

1.Первый закон термодинамики                                                                              3

2.Принцип Паули                                                                                                            5

2.1. Состояние электронов  в атомах                                                                         6

3. Принципы эволюции, воспроизводства и развития живых систем           8

4.Планета Марс                                                                                                               10

4.1. Состав и внутреннее  строение                                                                            10

4.2.Поверхность                                                                                                               11

4.3. Атмосфера и климат                                                                                              13

4.4. Исследование Марса                                                                                             14

5.Список литературы                                                                                                      15

 

1.Первый закон термодинамики

Термодинамика — это теория тепловых явлений, в которой не учитывается  атомно-молекулярное строение тел. Для  описания явлений в термодинамике  используются понятия «термодинамическая система» и «термодинамический процесс». Совокупность физических тел, изолированных  от взаимодействия с другими телами, называют изолированной термодинамической  системой.

    Любое изменение, происходящее  в термодинамической системе,  называется термодинамическим процессом.

    Тело как система из  составляющих его частиц обладает  внутренней энергией. С позиций  молекулярно-кинетической теории  внутренняя энергия — это сумма  потенциальной энергии взаимодействия  частиц, составляющих тело, и кинетической  энергии их беспорядочного теплового движения.

История

Первое установленное начало термодинамики, которое в конечном счете стало  «Вторым законом», было сформулировано Сади Карно в 1824. К 1860, в результате открытий в работах Рудольфа Клаузиуса и Вильяма Томсона, было уже два установленных «начала» термодинамики, первое начало и второе начало. Спустя годы, эти начала превратились в «законы». В 1873, например, термодинамик Джозайя Уиллард Гиббс в его «Графических методах в термодинамике жидкостей» ясно заявил о существовании двух абсолютных законов термодинамики: Первого закона и Второго закона.

Теперь, открыто в общей сложности  пять законов. За последние 80 лет различные  авторы иногда предлагали добавить ещё  законы, но ни один из них не был широко признан.

 

Первый закон термодинамики  гласит, (4 разные формулировки) что :

• Энергия не может быть создана или уничтожена (закон сохранения энергии), она лишь переходит из одного вида в другой в различных физических процессах. Отсюда следует, что внутренняя энергия изолированной системы остается неизменной.
• Количество теплоты, полученное системой, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение работы против внешних сил.
• Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданной системе и не зависит от способа, которым осуществляется этот переход.
• Изменение внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты, переданной системе, и работой, совершенной системой над внешними силами.

 

Первый закон является основой  для термодинамической науки  и инженерного анализа.

 

Базируется на возможных типах  обмена (энергии), ниже приведены 3 типа систем:

1. пред - изолированные системы (isolated systems): отсутствует обмен элементами системы или энергией
2. закрытые системы (closed systems): отсутствует обмен элементами системы, но присутствует некоторый обмен энергией
3. открытые системы (open systems): возможен обмен как элементами системы, так и энергие

 

Первый закон термодинамики  помогает использовать ключевые концепции  внутренней энергии, тепла , и работы системы. которые широко используются в описании тепловых систем.

Внутренняя энергия  - внутренняя энергия определяется как энергия  случайных, находящихся в неупорядоченном  движении молекул. Энергия молекул находится в диапазоне от высокой, необходимой для движения, до заметной лишь с помощью микроскопа энергии на молекулярном или атомном уровне. Например, у стакана с водой комнатной температуры, стоящего на столе нет, на первый взгляд, никакой энергии: ни кинетической, ни потенциальной относительно стола. Но, с помощью микроскопа становится заметна "бурлящая" масса быстро двигающихся молекул. Если выплеснуть воду из стакана, эта микроскопическая энергия не обязательно заметно изменится, когда мы усредним добавленную кинетическую энергию на все молекулы воды.

Тепло - тепло может быть определено, как энергия, передаваемая от объекта  с более высокой температурой к объекту с менее высокой  температурой. Сам по себе объект не обладает "теплом"; соответствующий  термин для микроскопической энергии  объекта - внутренняя энергия. Внутренняя энергия может увеличиваться  путем переноса энергии к объекту  от объекта, имеющего температуру выше - этот процесс называется нагревом.

Работа - когда работа совершается  термодинамической системой (чаще всего  это газ, который совершает работу), то работа совершенная газом при  постоянном давлении определяется как :

W = pdV, где W - работа, p - давление, а dV -изменение объема.

 В случаях когда давление не является постоянным, работа может быть представлена интегральным образом, как площадь поверхности под кривой в координатах давление, объем, которые представляют происходящий процесс.

 

 

2.Принцип Паули

Австрийско-швейцарский физик Вольфганг  Эрнст Паули, годы жизни  25 апреля 1890 г. – 15 декабря 1958 г.

Паули внёс существенный вклад в  современную физику, особенно в области  квантовой механики.

Принцип запрета Паули играет фундаментальную  роль для понимания строения и  поведения атомов, атомных ядер, свойств металлов и других физических явлений. Он объясняет химическое взаимодействие элементов и их прежде непонятное расположение в периодической системе. Сам Паули использовал принцип  запрета для того, чтобы понять магнитные свойства простых металлов и некоторых газов.

В 1945 г. Паули был награжден Нобелевской  премией по физике «за открытие принципа запрета, который называют также  принципом запрета Паули».

При́нцип  Па́ули (принцип запрета) — один из фундаментальных принципов квантовой механики, согласно которому два и более тождественных фермиона (частиц с полуцелым спином) не могут одновременно находиться в одном квантовом состоянии.

Принцип был сформулирован для  электронов Вольфгангом Паули в 1925 г. в процессе работы над квантомеханической интерпретацией аномального эффекта Зеемана и в дальнейшем распространён на все частицы с полуцелым спином. Полное обобщённое доказательство принципа было сделано им в 1940 г. в рамках релятивистской квантовой механики: волновая функция системы фермионов является антисимметричной относительно их перестановок, поведение систем таких частиц описывается статистикой Ферми — Дирака.

Принцип Паули можно сформулировать следующим образом: в пределах одной  квантовой системы в данном квантовом  состоянии может находиться только одна частица, состояние другой должно отличаться хотя бы одним квантовым  числом.

Строение атомов и принцип  Паули

Принцип Паули помогает объяснить  разнообразные физические явления. Следствием принципа является наличие  электронных оболочек в структуре  атома, из чего, в свою очередь, следует  разнообразие химических элементов  и их соединений. Количество электронов в отдельном атоме равно количеству протонов. Так как электроны являются фермионами, принцип Паули запрещает  им принимать одинаковые квантовые  состояния. В итоге, все электроны  не могут быть в одном квантовом  состоянии с наименьшей энергией (для невозбуждённого атома), а  заполняют последовательно квантовые  состояния с наименьшей суммарной  энергией (при этом не стоит забывать, что электроны неразличимы, и  нельзя сказать, в каком именно квантовом  состоянии находится данный электрон). Примером может служить невозбуждённый атом лития (Li), у которого два электрона находятся на 1S орбитали (самой низкой по энергии), при этом у них отличаются собственные моменты импульса и третий электрон не может занимать 1S орбиталь, так как будет нарушен запрет Паули. Поэтому, третий электрон занимает 2S орбиталь (следующая, низшая по энергии, орбиталь после 1S).

2.1.Сосояние электронов в атомах

Под состоянием электрона в атоме  понимают совокупность информации об энергии определенного электрона  и пространстве, в котором он находится.

Он может находиться в любой  части этого пространства, окружающего  ядро, и совокупность различных положений  его рассматривают как электронное  облако с определенной плотностью отрицательного заряда.

Пространство вокруг атомного ядра, в котором наиболее вероятно нахождение электрона, называется орбиталью.

В нем заключено приблизительно 90% электронного облака, и это означает, что около 90% времени электрон находится  в этой части пространства. По форме  различают 4 известных ныне типа орбиталей, которые обозначают латинскими буквами s, р, d, f.

Важнейшей характеристикой движения электрона на определенной орбитали является энергия его связи с ядром. Электроны, обладающие близкими значениями энергии, образуют единый электронный слой или энергетический уровень.

Целое число, обозначающее номер энергетического  уровня, называют главным квантовым числом.Оно характеризует энергию электронов, занимающих данный энергетический уровень. Наименьшей энергией обладают электроны первого энергетического уровня, наиболее близкого к ядру. По сравнению с электронами первого уровня электроны последующих уровней будут характеризоваться большим запасом энергии. Следовательно, наименее прочно связаны с ядром атома электроны внешнего уровня.

Число энергетических уровней (электронных  слоев) в атоме равно номеру периода  в системе Д. И. Менделеева, к которому принадлежит химический элемент: у  атомов элементов первого периода  — один энергетический уровень, второго  периода — два, седьмого периода  — семь.

Наибольшее число электронов на энергетическом уровне определяется по формуле:

N = 2

где N — максимальное число электронов; n — номер уровня или главное квантовое число

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.Принципы эволюции, воспроизводства и развития живых систем

В 1859 г. Ч. Дарвином было создано эволюционное учение, опровергшее существовавшее толкование природы как творение бога. Дарвин выдвинул положение, согласно которому все существующие многочисленные формы растений и животных произошли  от более простых организмов путём  постепенных изменений, накапливавшихся  из поколения в поколение, т.е. эволюционно. Эволюция в переводе с латинского означает развертывание; это непрерывный  и необратимый процесс исторического  развития природы.

Согласно учению Дарвина, движущими  силами эволюции являются изменчивость, наследственность и естественный отбор, составляющие так называемую дарвиновскую триаду.

• Под изменчивостью понимается разнообразие признаков и свойств у особей и групп особей любой степени родства. Дарвин делил изменчивость на две категории (наследственную и ненаследственную) и выделял несколько её основных форм: это групповая изменчивость и неопределённая индивидуальная изменчивость.
• Наследственность – это свойство организмов передавать следующему поколению свои признаки и особенности развития, т.е. это способность к воспроизведению себе подобных. Законы наследственности, с одной стороны, выражают повторение в ряду поколений, а с другой стороны - закономерности в передаче изменений от родителей потомкам.
• Естественный отбор обеспечивает протекание процесса эволюции в том или ином направлении. В результате его действия в популяции происходит увеличение числа особей, обладающих определённым свойством или качеством. Отбор «подхватывает» случайно возникшие полезные мутации и насыщает ими генофонд. В этом заключается направляющая роль отбора в эволюции. Таким образом, естественный отбор – это сохранение благоприятных индивидуальных различий и изменений и уничтожение вредных. Особи, успешно противостоящие неблагоприятным факторам и лучше использующие ресурсы внешней среды, с большей вероятностью могут оставить потомство. Существует три основные формы борьбы за существование:

 

1. межвидовая;
2. внутривидовая;
3. борьба с неблагоприятными условиями среды.