Концепции современного естествознания

Контрольная работа

по дисциплине «Концепции современного естествознания»

Вариант № 24

Красноярск 2008
50. От каких факторов зависит скорость химической реакции? Что происходит в химических реакциях с участием катализатора?

Ответ:

Скорость химической реакции определяется количеством вещества, прореагировавшего в единицу времени в единице объема.

Скорость каждой химической реакции зависит как от природы реагирующих веществ, так и от условий, в которых реакция протекает. Важнейшими из этих условий являются: концентрация, температура и присутствие катализатора. Природа реагирующих веществ оказывает решающее влияние на скорость химической реакции. Так, например, водород с фтором реагирует очень энергично уже при комнатной температуре, тогда как с бромом значительно медленнее даже при нагревании.

Если при неизменных объеме и температуре концентрация одного из реагирующих веществ уменьшилась от с1 до с2 за промежуток времени от t1 до t2, то в соответствии с определением скорость реакции за данный промежуток времени равна:

Знак “-” в правой части уравнения появляется т. к. по мере протекания реакции (t2-t1 > 0) концентрация реагентов убывает, следовательно, c2-c1 < О, а так как скорость реакции всегда положительна, то перед дробью следует поставить знак “-”.

Обычно для реакций, протекающих в газах или растворах, концентрации реагентов выражают в моль/л, а скорость реакции — в моль/(л× с).

Катализатором называется вещество, изменяющее скорость химической реакции, но остающееся неизменным после того, как химическая реакция заканчивается.

Влияние катализаторов на скорость реакции называется катализом. Когда взаимодействующие вещества и катализатор находятся в одном агрегатном состоянии, говорят о гомогенном катализе. При гетерогенном катализе реагирующие вещества и катализатор находятся в различных агрегатных состояниях: обычно катализатор — в твердом, а реагирующие вещества — в жидком или газообразном (пример: в случае окисления SO2 в SO3 в присутствии платины или оксида ванадия (V) происходит гетерогенный катализ).[1]

Общие свойства катализаторов:

1.      Катализаторы сами не вызывают химическую реакцию, а только ускоряют реакцию, которая протекает и без них.

2.      Не влияют на энергетический итог реакции.

3.      В обратимых реакциях катализаторы ускоряют как прямую, так и обратную реакцию, причем в одинаковой степени, из чего следует, что катализаторы:

1.не влияют на направленность обратимой реакции, которая определяется только соотношением концентраций исходных веществ (субстратов) и конечных продуктов;

2.не влияют на положение равновесия обратимой реакции, а только ускоряют его достижение.[2]

36. Опишите эволюцию представлений о теплоте. Раскройте смысл закона распространения теплоты Фурье.

Ответ:

В XVIII в. теплота представлялась в виде некоторой жидкости, общее количество которой остается в течение различных физических процессов неизменным. Для объяснения целого ряда явлений, и в особенности явления распространения тепла в материальных телах, эта гипотеза оказывалась вполне удовлетворительной. Изящная и классическая теория распространения тепла в пространстве, созданная Фурье, исходит из соотношения, которое выражает «закон сохранения теплоты». Но многочисленные явления, в которых теплота возникает в результате трения, с большим трудом объяснялись в рамках этой гипотезы, и мало-помалу физики от нее отказались и стали рассматривать теплоту не как некую вечную субстанцию, а просто как одну из форм энергии. Действительно, во всех происходящих вокруг нас чисто механических явлениях энергия сохраняется всегда, за исключением тех случаев, когда в результате трения происходит выделение тепла. Если рассматривать теплоту как одну из форм энергии, то можно выдвинуть некий общий принцип сохранения энергии.

Теорией теплоты во Франции тогда занимались многие ученые. Значимые результаты получили и Лавуазье, и Лаплас, и Био, и Пуассон. Фурье начал формулировать задачи теплообмена вначале для двух тел, затем для нескольких, а потом, довольно решительно перешел к континуальной модели процесса теплопередачи.

Развиваемый им подход лежал вне рамок основных методов того времени, использовавшихся в рациональной и звездной механике. Он не следовал из общих вариационных принципов. Гипотеза о пропорциональности потока тепла  или потока температуры  разности температур (в предельном случае градиенту температуры )

,        ,

была настолько революционной, что продолжительное время никак не принималась современниками (здесь  – плотность, –  теплоемкость,  – коэффициент теплопроводности,  – коэффициент температуропроводности).

Фурье первым осознал различие процессов, протекающих в толще сплошной среде и на ее поверхности. Он сформулировал для них различные уравнения, дополненные начальными условиями в явном виде, и обосновал выбор систем координат учитывавших физические и геометрические симметрии задачи. Решения задач в такой постановке приводятся к форме, допускающей прямое сравнение с экспериментом.

«Эффект распространения теплоты, — говорит Фурье, — зависит для всякого твердого тела от трех основных причин: 1) от теплоемкости, 2) от внутренней теплопроводности и 3) от внешней теплопроводности. Эти три основные свойства являются в формулах для каждого данного тела постоянными величинами. Если они определены, то все вопросы, касающиеся движения теплоты, разрешаются уже аналитически, путем вычислений

Для анализа полученных уравнений в частных производных Фурье развил метод разделения переменных и предложил новый способ отыскания их решений, основанный на разложении непрерывных и разрывных функций в ряды и интегралы Фурье (позднее он предложил и обратный переход в конфигурационное пространство). Успешность такого подхода стимулировала развитие и многих других видов  интегральных представлений.

Закон теплопроводности, установленный Фурье:

поток теплоты пропорционален градиенту[3] температуры.

Этот закон оказался применимым к веществам в твердом, жидком и газообразном состояниях; кроме того, он не зависел от химического состава тела. Для каждого вещества характерен только коэффициент пропорциональности между плотностью теплового потока и градиентом температуры.

Когда теплота (тогда считали – «теплород») «течет» по закону Фурье от области с более высокой температурой к области с более низкой (и никогда наоборот), возникает выделенное направление времени.[4]

12. Чем отличаются правило, закон и принцип?

Наука ставит своей целью, установление причинно-следственных связей, которая представлена в такой абстрактной форме y=f(x), где в качестве причины выступает аргумент, а в качестве следствия, состояние системы.  Описанная таким синкретическим образом, целостно в виде функции и самое главное, явная форма этих функциональных связей.

1.      Правило – самая простая форма обобщения, относится к конкретному явлению и связывается с определенным разделом науки.

2.      Закон – более высокий уровень обобщения, когда характер распространяется на целую область знаний.

Законы всегда носят объективный характер и выражают реальные процессы, связывающие явления объективного мира. Законы являются ступенями познания. Принято различать законы по степени их общности: менее общие (касаются ограниченной области знания, изучаемой конкретными науками, например, закон естественного отбора); более общие (затрагивают несколько областей знания, распространены в нескольких смежных областях, например, закон сохранения энергии); всеобщие (фундаментальные законы бытия, например, принцип развития и всеобщей связи). Также выделяют законы функционирования и законы развития. Признаками закона являются универсальность и необходимая истинность предложений. Законы должны относиться к любому объекту, изучаемому данной наукой, а также адекватно отражать предметы и явления и их свойства, которые изучаются теорией. [5]

3.      Принцип – самый абстрактный уровень обобщения, носит над дисциплинарный характер. Он ложиться в основу процесса познания, то есть относится к физике, химии и к др.

      При самом построении и изложении теории принципы играют роль исходных, основных и первичных посылок, закладываются в сам фундамент теории. Основные аспекты содержания каждого принципа раскрываются в совокупности законов и категорий теории. Законы конкретизируют принципы, раскрывают «механизм» их действия, взаимосвязь вытекающих из них следствий. [6]

20. Перечислите и раскройте смысл основных свойств реального пространства и пространства в классической механике. Что такое абсолютное пространство?

Реальное пространство консервативной модели. В реальности выделяют три масштаба: мегамир, макромир и микромир. Выделим основные свойства  реального пространства. По Аристотелю, характер пространства зависит от того, что в нем происходит, что в нем находится и как друг с другом взаимодействует.

1.      Реальное пространство непрерывно, в нем нет прорех, где пространства не существует.

2.      Реальное пространство трехмерно. Достаточно трех взаимно перпендикулярных измерений для однозначного определения объекта в пространстве.

3.      Пространство не однородно, в разных местах пространство имеет разную плотность.

4.      Пространство не изотропно, т.е. не одинаково в разных направлениях, имеет специфические направления.

Рядом с большой массой, геометрия пространства изменяется, т.е. реальное пространство обладает неоднородностью, зависящее от расположения масс. Это возможно только в мегамире.

        Наличие нескольких тел необходимо для формирования ощущения пространства. Если они не находятся в контакте, то их можно свести друг с другом, что является основой нашего понятия о пространстве. В геометрии Евклида пространство играло качественную роль, потому что хотя положение точки (абстрактного понятия тела) считалось заданным оно не описывалось числом. Декарт ввел понятие расстояния между точками, вычисляемого в трехмерной системе координат. Если одна точка имеет координаты , а вторая координаты , , , то расстояние между ними находится по теореме Пифагора обобщенной на трехмерное пространство:

При этом считается, что точки не движутся относительно друг друга или, что их координаты берутся в один и тот же момент времени.

Обратим внимание, что понятие координат некоторого тела формулируется относительно выбранной системы координат и, следовательно, тела отсчета, задающего эту систему координат, тогда как расстояние между точками не зависит от выбора этой системы. Изучать движение пробных тел можно только в выбранной системе координат, т.е. относительно тел задающих систему отсчета. Но относительно произвольной системы отсчета даже простое движение может иметь сложный вид. Например, на вращающейся карусели движение катящегося шарика будет отличаться от движения того же шарика на покоящейся карусели. В теоретической механике это свойство формулируется как отсутствие однородности и изотропии пространства в данной системе отсчета. Естественно, что возникает потребность выбрать такую систему отсчета в которой уравнения механики и решения этих уравнений будут иметь самый простой вид. Оказывается, что в ньютоновой механике всегда можно найти такую систему отсчета в которой пространство является однородным и изотропным, а время - однородным. Это инерциальная система отсчета.

Более того, существует бесконечно много инерциальных систем отсчета. Они отличаются друг от друга тем, что могут двигаться относительно друг друга с постоянной скоростью. Во всех таких системах пространство будет однородно и изотропно, а время - однородно. Законы механики в таких системах отсчета будут одинаковы - так был сформулирован принцип относительности Галилея, который является одним из основных принципов механики. [7]

Список литературы

1.      www.chemistry.narod.ru – краткий курс химии.

2.      www.4medic.ru – биохимия

3.      Газета «Советский физик», номер2(63) за февраль-март 2008 года.

4.      Т.Г.Грушевицкая, А.П.Садохин. Концепции современного естествознания:  Учеб. пособие-М.:Высш. шк., 1998.-383 с.

5.      Солопов Е.Ф. С60 Концепции современного естествознания: Учеб. пособие для вузов. - М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 1998. - 232 с.

6.      www.pereplet.ru/pops/sazhin/node2.html

[1]              www.chemistry.narod.ru – краткий курс химии.

[2]              www.4medic.ru - биохимия

[3]              Градиент (от лат. gradiens, род. падеж gradientis – шагающий) – вектор, показывающий направление наискорейшего изменения некоторой величины, значение которой меняется от одной точки пространства к другой.

[4]              Газета «Советский физик», номер2(63) за февраль-март 2008 года.

[5]              Т.Г.Грушевицкая, А.П.Садохин. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие-М.:Высш. шк., 1998.-383 с.

[6]              Солопов Е.Ф. С60 Концепции современного естествознания: Учеб. пособие для вузов. - М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 1998. - 232 с.

[7]              www.pereplet.ru/pops/sazhin/node2.html