Контрольная работа по "Концепции современного естествознания"

pe="DISC">

Постулат Клаузиуса: «Невозможен процесс, единственным результатом которого являлась бы передача тепла от более холодного тела к более горячему»(такой процесс называется процессом Клаузиуса);

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

   Эквивалентность этих формулировок легко показать. В самом деле, допустим, что постулат Клаузиуса неверен, то есть существует процесс, единственным результатом которого была бы передача тепла от более холодного тела к более горячему. Тогда возьмем два тела с различной температурой (нагреватель и холодильник) и проведем несколько циклов тепловой машины, забрав тепло Q1 у нагревателя, отдав Q2 холодильнику и совершив при этом работу A = Q1 − Q2. После этого воспользуемся процессом Клаузиуса и вернем тепло Q2 от холодильника нагревателю. В результате получается, что мы совершили работу только за счет отъёма теплоты от нагревателя, то есть постулат Томсона тоже неверен.

   С другой стороны, предположим, что неверен  постулат Томсона. Тогда можно отнять часть тепла у более холодного  тела и превратить в механическую работу. Эту работу можно превратить в тепло, например, с помощью трения, нагрев более горячее тело. Значит, из неверности постулата Томсона следует неверность постулата Клаузиуса.

   Таким образом, постулаты Клаузиуса и  Томсона эквивалентны. 

   Другая  формулировка второго начала термодинамики основывается на понятии энтропии:

• «Энтропия изолированной системы не может уменьшаться» (закон неубывания энтропии).

   Такая формулировка основывается на представлении  об энтропии как о функции состояния  системы, что также должно быть постулировано.

   В состоянии с максимальной энтропией  макроскопические необратимые процессы (а процесс передачи тепла всегда является необратимым из-за постулата  Клаузиуса) невозможны.

   С точки зрения статистической физики второе начало термодинамики имеет статистический характер: оно справедливо для наиболее вероятного поведения системы. Существование флуктуаций препятствует точному его выполнению, однако вероятность сколь-нибудь значительного нарушения крайне мала.

   Клаузиус, рассматривая второе начало термодинамики, пришёл к выводу, что энтропия Вселенной как замкнутой системы стремится к максимуму, и в конце концов во Вселенной закончатся все макроскопические процессы. Это состояние Вселенной получило название «тепловой смерти». С другой стороны, Больцман высказал мнение, что нынешнее состояние Вселенной – это гигантская флуктуация, из чего следует, что большую часть времени Вселенная все равно пребывает в состоянии термодинамического равновесия («тепловой смерти»).

   По  мнению Ландау, ключ к разрешению этого противоречия лежит в области общей теории относительности: поскольку Вселенная является системой, находящейся в переменном гравитационном поле, закон возрастания энтропии к ней неприменим.

   Поскольку второе начало термодинамики (в формулировке Клаузиуса) основано на предположении о том, что вселенная является замкнутой системой, возможны и другие виды критики этого закона. В соответствии с современными физическими представлениями мы можем говорить лишь о наблюдаемой части вселенной. На данном этапе человечество не имеет возможности доказать, ни то, что вселенная есть закрытая система, ни обратное.

   Второе  начало термодинамики (в формулировке неубывания энтропии) иногда используется критиками эволюции с целью показать, что развитие природы в сторону усложнения невозможно. Однако подобное применение физического закона является некорректным, так как энтропия не убывает только в замкнутых системах (сравн. с диссипативной системой), в то время как Земля как планета является открытой системой.

   В механике состояние системы полностью определено, если известны положения и скорости всех входящих в нее частиц. Для системы из N частиц необходимо знать 6N переменных. В термодинамике вводится другое понятие состояния системы. Использовать динамическое определение состояния не удается, поскольку макроскопическая система содержит огромное число атомов и молекул, так что определить 6N переменных практически невозможно. В действительности, в этом и нет необходимости, поскольку термодинамические величины описывают средние свойства системы и знание движения отдельных частиц является излишним.

   Чтобы пояснить термодинамическое понятие  состояния системы, приведем несколько простых примеров:

• Система, состоящая из химически однородной жидкости или газа. В такой системе можно измерить температуру t, давление P и объем V. Для данного количества вещества в системе значения t, P и V не являются независимыми, они связаны соотношением

f(t,P,V) = 0 ,

которое называется уравнением состояния. Вид  этого уравнения зависит от конкретных свойств вещества.

   Написанное  уравнение можно разрешить относительно одной из переменных, выразив ее через две других. Поэтому состояние  системы полностью определяется какими-либо двумя переменными, например, P и V.

   Если  по осям прямоугольной системы координат откладывать значения P и V, то точка на плоскости (P,V) будет изображать определенное состояние системы.

• Система, представляющая смесь нескольких химических соединений. Состояние такой системы характеризуется значениями t, P, V и концентрациями различных компонент.
• Гетерогенные системы (неоднородные). Чтобы определить состояние неоднородной системы, ее нужно разбить на ряд однородных подсистем. Число таких подсистем может быть любым. Переменные, относящиеся к каждой из подсистем, связаны своим уравнением состояния. При этом некоторые переменные, относящиеся к различным подсистемам, могут быть связаны друг с другом. Так, суммарное количество каждого химического элемента, содержащегося в различных подсистемах, должно равняться общему количеству этого элемента во всей системе.

   Особенно  важными термодинамическими состояниями  являются состояния равновесия. Эти  состояния обладают свойством не изменяться до тех пор, пока внешние  условия остаются неизменными. Например, газ, закрытый в сосуде постоянного  объема, остается в равновесии, если его давление всюду постоянно, а температура равна температуре окружающей среды.

   Существуют  также состояния, в которых значения какого-либо параметра в различных  точках различаются. Например, давление газа может быть различным в различных точках. Опыт показывает, что в таких состояниях существуют потоки массы газа и эти состояния со временем изменяются. Такие состояния называются неравновесными. По прошествии некоторого характерного времени, называемого временем релаксации, давление в различных точках выравнивается и система приходит в равновесное состояние.

   Представим  себе процесс, протекающий со скоростью, значительно меньшей скорости релаксации. Это означает, что на каждом этапе  процесса значения всех параметров успевают выравняться и такой процесс будет представлять собой цепочку бесконечно близких друг к другу равновесных состояний. Такие достаточно медленные процессы называются равновесными. На диаграмме (V, P) равновесный процесс перехода системы из одного равновесного состояния в другое изображается кривой, соединяющей соответствующие точки. Реальные процессы лишь в большей или меньшей степени приближаются к равновесным.

   Равновесные процессы называются также обратимыми. Такой процесс можно осуществить, если изменять внешние условия настолько медленно, что система успевает прийти в соответствие с изменившимися условиями. Например, можно произвести обратимое расширение газа в цилиндре с поршнем, если медленно выдвигать поршень. Если поршень выжвигать быстро, то в расширяющемся газе образуются потоки и промежуточные состояния будут неравновесными.

   Если  мы перевели систему обратимо из состояния 1 в 2, то можно перевести ее из состояния 2 в 1 посредством обратного процесса, при котором система проходит через те же промежуточные состояния, но в обратном порядке. Для этого нужно медленно изменять внешние условия, двигаясь в обратном направлении.

   Рецензия:_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

   V. Планеты и их спутники, строение планет.

   Предполагается, что планеты возникли одновременно (или почти одновременно) 4,6 млрд. лет назад из газово-пылевой туманности, имевшей форму диска, в центре которого располагалось молодое Солнце. Образование звезд и планетных систем – это, по-видимому, все-таки единый процесс, происходящий в результате конденсации облака межзвездного газа в силу его гравитационной неустойчивости.

   Таким образом, протопланетная туманность образовалась вместе с Солнцем из межзвездного вещества, плотность которого превысила критические пределы. По некоторым данным (присутствие специфических изотопов в метеоритах), такое уплотнение произошло в результате относительно близкого взрыва сверхновой звезды. Взрыв сверхновой мог ускорить и стимулировать процесс конденсации, а также обеспечить содержание в составе газовой туманности тяжелых элементов. Допланетное облако было мало массивным. Если бы его масса превышала 0,15 массы Солнца, оно аккумулировалось бы не в систему планет, а в звездообразный спутник Солнца.

   Протопланетное облако было неустойчивым, оно становилось все более плоским, конденсировалось в уплотненный диск, в нем возникали неустойчивости, которые приводили к образованию ряда колец, а газовые кольца превращались в газовые сгустки – протопланеты. Протопланеты сжимались, твердые пылинки сближались, сталкивались, образовывали тела все больших размеров. В относительно короткий срок (10ⁿ лет, где, по разным оценкам, n = 5 – 8) сформировались девять больших планет.

   В настоящее время господствует идея холодного, а не горячего, начального состояния Земли и других планет Солнечной системы, которые возникли в результате аккреции частиц и твердых тел газово-пылевого протопланетного облака, окружавшего Солнце. Однако пока не решен вопрос, была ли Земля гомогенна или гетерогенна к концу своего формирования, образовались ли ядро, мантия и кора в результате гетерогенной аккреции или же наша планета создавалась из гомогенного материала, который затем подвергался дифференциации в процессе последующей геологической истории. Большинство исследователей придерживаются модели гетерогенной аккреции, хотя вопрос о разделе вещества допланетного облака на железные и силикатные частицы пока окончательно не решен.

   Астероиды, кометы, метеориты являются, вероятно, остатками материала, из которого сформировались планеты. Астероиды сохранились до нашего времени благодаря тому, что подавляющее большинство их движется в широком промежутке между орбитами Марса и Юпитера. Аналогичные каменистые тела, некогда существовавшие во всей зоне планет земной группы, давно либо присоединились к этим планетам, либо разрушились при взаимных столкновениях, либо были выброшены на пределы этой зоны вследствие гравитационного воздействия планет.

   Происхождение систем регулярных спутников (т.е. движущихся в направлении вращения планеты по почти круговым орбитам, лежащим в плоскости ее экватора) авторы космогонических гипотез обычно объясняют повторением в малом масштабе того же процесса, который они предлагают для объяснения образования планет Солнечной системы. Такие спутники есть у Юпитера, Сатурна, Урана. Происхождение иррегулярных спутников (т.е. таких, которые обладают обратным движением) эти теории объясняют захватом.

   Что касается Луны, то наиболее вероятным  является ее образование на околоземной орбите (возможно, из нескольких крупных спутников, которые в конечном счете объединились в одно тело – Луну, что обеспечило ее быстрое нагревание), хотя продолжают обсуждаться и маловероятные гипотезы захвата Землей готовой Луны и отделения Луны от Земли.

   Проблема  особенностей химического состава Солнечной системы. Хотя идея множественности планетных систем прочно утвердилась в астрономической картине мира еще со времен Дж. Бруно, однако до самого последнего времени эмпирически обоснованными данными о существовании планетных систем у других звезд астрономия не обладала. Возможности наблюдательной техники не позволяли этом убедиться. Только новейшие методы астрономического наблюдения окончательно закрыли эту «страницу» астрономического познания.

   Вступление  астрономии в XXI в. ознаменовалось выдающимся достижением – открытием планет за пределами Солнечной системы, планетных систем у других звезд. С помощью нового поколения средств и методов астрономического наблюдения начиная с 1995 г. удалось открыть уже свыше сотни планет за пределами Солнечной системы, у звезд, расположенных в радиусе примерно ста световых лет от нас.

     Кроме того, согласно последним наблюдательным данным, по крайней мере каждая третья звезда имеет свою планетную систему. Эти данные подтверждены наблюдениями в инфракрасном диапазоне молодых звезд. Это значит, что планетогенез (образование планетных систем) – не исключительное явление, а повсеместный момент эволюции материи. А наша планетная система – закономерное звено организации галактической и звездной материи, одна из многих подобных систем нашей Галактики. Но у нее есть и свои важные отличительные черты.