Шпаргалка по предмету "Концепции современного естествознания"

Статистические  законы не считались подлинными законами, так как ученые прошлого века предполагали, что за ними должны стоять такие  же универсальные законы, как закон  всемирного тяготения Ньютона, который  считался образцом детерминистского закона, поскольку он обеспечивает точные и достоверные предсказания приливов и отливов, солнечных и лунных затмений и других явлений природы.

Статистические  же законы признавались в качестве удобных вспомогательных средств  исследования, дающих возможность представить  в компактной и удобной форме  всю имеющуюся информацию о каком  либо предмете исследования. Типичным примером может служить информация, получаемая посредством переписи населения. По-видимому, главная причина такого отношения к статистическим законам  состояла в том, что заключения их недостоверны, неопределенны, а лишь вероятны в той или иной степени, причем эта степень существенно  зависела от количества наблюдений и  экспериментов.

Вероя́тность — численная мера возможности наступления некоторого события.

 

Вопрос 12.  Термодинамическая  вероятность. Энтропия.

Энтропия -- понятие, впервые  возникшее в термодинамике как  мера необратимого рассеяния энергии.

Термодинамическая вероятность — число способов, которыми может быть реализовано состояние физической системы.

Согласно Больцману (1872), энтропия S системы и термодинамическая  вероятность связаны между собой  следующим образом:

S = k lnW,

где k -- постоянная Больцмана.

Таким образом, энтропия определяется логарифмом числа микросостояний, с  помощью которых может быть реализовано  данное макросостояние. Следовательно, энтропия может рассматриваться как мера вероятности состояния термодинамической системы.

Так как реальные процессы необратимы, то можно утверждать, что  все процессы в замкнутой системе  ведут к увеличению ее энтропии - принцип возрастания энтропии. При  статистическом толковании энтропии это  означает, что процессы в замкнутой  системе идут от менее вероятных  состояний к более вероятным, до тех пор пока вероятность состояния  не станет максимальной.

 

Вопрос 13. Термодинамика  и статистическая физика.

Термодина́мика — раздел физики, изучающий соотношения и превращения теплоты и других форм энергии. В термодинамике имеют дело не с отдельными молекулами, а с макроскопическими телами, состоящими из огромного числа частиц. Эти тела называются термодинамическими системами. В термодинамике тепловые явления описываются макроскопическими величинами — давление, температура, объём, …, которые не применимы к отдельным молекулам и атомам.

Статисти́ческая фи́зика — это раздел теоретической физики, посвященный изучению систем с произвольным числом степеней свободы. Изучаемые системы могут быть как классическими, так и квантовыми.

Предсказания статистической физики и термодинамики носят вероятностный характер. В этом проявляется специфика статистических закономерностей, присущих именно макроскопическим телам. Вероятностный характер предсказаний позволяет сблизить классическое рассмотрение с квантовым, в котором вероятность лежит в природе вещей.

Статистическая физика описывает, как из движений частиц системы складывается усреднённая эволюция системы в  целом.

Статистическую физику подразделяют на равновесную и неравновесную. Равновесная статистическая физика и термодинамика изучают свойства систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия. Неравновесная статистическая механика и физическая кинетика изучают, как именно система приходит в состояние локального равновесия.

Методы статистической физики могут применяться не только к атомам и молекулам, но и ко многим иным системам. Соответствующий подраздел статистической физики можно назвать физикой сложных систем.

 

Вопрос 14. Открытые и замкнутые системы. Обратимые  и необратимые процессы.

Существует два основных типа систем: закрытые и открытые. Закрытая система имеет жесткие фиксированные  границы, ее действия относительно независимы от среды, окружающей систему. Часы —  знакомый пример закрытой системы. Взаимозависимые  части часов двигаются непрерывно и очень точно, как только часы заведены или поставлена батарейка. И пока в часах имеется источник накопленной энергии, их система  независима от окружающей среды.

Открытая система характеризуется  взаимодействием с внешней средой. Энергия, информация, материалы —  это объекты обмена с внешней  средой через проницаемые границы  системы. Такая система не является самообеспечивающейся, она зависит от энергии, информации и материалов, поступающих извне. Кроме того, открытая система имеет способность приспосабливаться к изменениям во внешней среде и должна делать это для того, чтобы продолжить свое функционирование.

Обратимый процесс — термодинамический процесс, который может проходить как в прямом, так и в обратном направлении, проходя через одинаковые промежуточные состояния, причем система возвращается в исходное состояние без затрат энергии, и в окружающей среде не остается макроскопических изменений.

Обратимый процесс можно  в любой момент заставить протекать  в обратном направлении

Необратимым называется процесс, который нельзя провести в противоположном направлении через все те же самые промежуточные состояния. Все реальные процессы необратимы. Примеры необратимых процессов: диффузия, термодиффузия, теплопроводность, вязкое течение и др. Переход кинетической энергии макроскопического движения через трение в теплоту, то есть во внутреннюю энергию системы, является необратимым процессом.

 

Вопрос 15. Самоорганизация  в открытых системах. Условия, необходимые  для возникновения процессов  самоорганизации.

Самоорганиза́ция — процесс упорядочения элементов одного уровня в системе за счёт внутренних факторов, без внешнего специфического воздействия. Результат — появление единицы следующего качественного уровня.

Условия возникновения самоорганизации:

1. Для этого система  должна быть открытой 

2. Открытая система должна  находиться достаточно далеко  от точки термодинамического  равновесия.  Если система находится  в точке равновесия, то она  обладает максимальной энтропией  и потому неспособна к какой-либо  организации

3. Процессы самоорганизации,  как и переходы от одних  структур к другим, сопровождаются  нарушением симметрии. Процессы  самоорганизации, связанные с  необратимыми изменениями, приводят  к разрушению старых и возникновению  новых структур.

4. Самоорганизация может  начаться лишь в системах, обладающих  достаточным количеством взаимодействующих  между собой элементов  и,  следовательно, имеющих некоторые  критические размеры. 

 

Вопрос 17. Термодинамическая  система. Понятие состояния. Равновесные  и неравновесные состояния.

Термодинамической системой называется совокупность материальных тел, взаимодействующих между собой  и с окружающей средой.

 Термодинамические системы  подразделяются гомогенные и  гетерогенные.

 К гомогенной термодинамической  системе относится система химический  состав и физические свойства  которой одинаковы во всех  ее частях или монотонно изменяются  от точки к точке. Примером  такой системы могут служить  абсолютно чистые минералы, расплавленные  горные породы.

 Гетерогенной это такая  термодинамическая система, которая  состоит из двух и более  гомогенных областей. Внутри такой  системы имеются поверхности  раздела фаз, при переходе через  которые химический состав и  физические свойства вещества  изменяются скачкообразно.

  Любая термодинамическая  система состоит из одной и  более компонентов. Под компонентами  понимается число химически чистых  элементов, образующих данное  вещество.

 

 

 Равновесным состоянием называется состояние системы, не изменяющееся с течением времени и при постоянных внешних условиях и сохраняется произвольно долгое время. систему. Равновесный процесс является обратимым и круговым или циклическим, если в ходе термодинамического процесса система возвращается в исходное состояние. 

НЕРАВНОВЕ́СНОЕ СОСТОЯ́НИЕ, состояние термодинамической системы, характеризующееся неоднородностью  распределения температуры, давления, плотности, концентраций компонентов  или каких-либо других макроскопических параметров в отсутствие внешних  полей или вращения системы как  целого. Неоднородность системы приводит к необратимым процессам, в результате которых изолированная система  достигает равновесия.

 

Вопрос 18. Первое и  второе начала термодинамики. Энтропия как функция состояния.

Первое начало термодинамики — один из трёх основных законов термодинамики, представляет собой закон сохранения энергии для термодинамических систем.

Первое начало термодинамики  часто формулируют как невозможность  существования вечного двигателя первого рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника.

1) Количество теплоты,  полученное системой, идёт на  изменение её внутренней энергии  и совершение работы против  внешних сил.

2) Изменение внутренней  энергии системы при переходе  её из одного состояния в  другое равно сумме работы  внешних сил и количества теплоты,  переданного системе и не зависит  от способа, которым осуществляется  этот переход.

 

Второе начало термодинамики — физический принцип, накладывающий ограничение на направление процессов передачи тепла между телами.

Второе начало термодинамики  запрещает так называемые вечные двигатели второго рода, показывая, что невозможно всю внутреннюю энергию  системы превратить в полезную работу.

Второе начало термодинамики  является постулатом, не доказываемым в рамках термодинамики. Оно было создано на основе обобщения опытных  фактов и получило многочисленные экспериментальные  подтверждения.

Существуют несколько  эквивалентных формулировок второго  начала термодинамики:

Постулат Клаузиуса: «Невозможен процесс, единственным результатом которого являлась бы передача тепла от более холодного тела к более горячему».

Постулат Томсона: «Невозможен  круговой процесс, единственным результатом  которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара».

 

Существует  функция состояния  системы (энтропия), определяющая направление  самопроизвольного процесса:  в  изолированной системе самопроизвольно  могут протекать только те процессы, при которых происходит увеличение энтропии.

Физический смысл энтропии:  мера беспорядка в системе

Формула Больцмана:

S =k *lnW

k=R/NA =  1.38*10

-23 Дж/К – постоянная Больцмана

W - число микросостояний, которыми  реализуется данное макросостояние

Вопрос 19. Вероятностный  смысл энтропии. Закон возрастания  энтропии

Энтропия -- понятие, впервые  возникшее в термодинамике как  мера необратимого рассеяния энергии.

Согласно Больцману (1872), энтропия S системы и термодинамическая  вероятность связаны между собой  следующим образом:

S = k lnW,

где k -- постоянная Больцмана.

Таким образом, энтропия определяется логарифмом числа микросостояний, с  помощью которых может быть реализовано  данное макросостояние. Следовательно, энтропия может рассматриваться как мера вероятности состояния термодинамической системы.

Так как реальные процессы необратимы, то можно утверждать, что  все процессы в замкнутой системе  ведут к увеличению ее энтропии - принцип возрастания энтропии. При  статистическом толковании энтропии это  означает, что процессы в замкнутой  системе идут от менее вероятных  состояний к более вероятным, до тех пор пока вероятность состояния  не станет максимальной.

Понятие энтропии — связано  с развитием термодинамики и  формулированием ее двух основных законов.

Первый закон  термодинамики и невозможность  создания вечного двигателя первого  рода

Первый закон термодинамики  является законом сохранения энергии  применительно к тепловым процессам. Этот закон утверждает невозможность  создания вечного двигателя первого  рода, который бы производил работу без подведения энергии.

Этот закон утверждает, что тепловая энергия, подведенная  к замкнутой системе, расходуется  на увеличение ее внутренней энергии  и работу, производимую против внешних  сил.

Второй закон  термодинамики и невозможность  создания вечного двигателя второго  рода

Второй закон термодинамики  еще больше ограничивает возможности  процессов превращения.

   Второй закон термодинамики  утверждает, что не может быть  создан вечный двигатель второго  рода, который бы производил работу  за счет тепла окружающей среды,  без каких-либо изменений в  окружающих телах. 

   Второй закон термодинамики  можно сформулировать как закон,  согласно которому энтропия теплоизолированной  системы будет увеличиваться  при необратимых процессах или  оставаться постоянной, если процессы  обратимы. Это положение касается  только изолированных систем.

   В замкнутой системе  при отсутствии каких-либо процессов  не может сама по себе возникнуть  разность температур, т.е. теплота  не может самопроизвольно перейти  от более холодных частей к  более горячим.