Cатистические и термодинамические свойства макросистем - Эволюция современного естествознания
Развитие представлений в природе тепловых явлений.
Вокруг нас происходят явления, внешне весьма косвенно связанные с механическим движением. Это явления, наблюдаемые при изменении температуры тел, представляющих собой макросистемы, или при переходе их из одного состояния (например, жидкого) в другое (твердое либо газообразное). Такие явления называются тепловыми. Они играют огромную роль в жизни людей, животных и растений. Изменение температуры на 20-30°С при смене времени года меняет все вокруг нас. С наступлением весны природа преображается, леса и луга зеленеют. От температуры окружающей среды зависит возможность жизни па Земле. Люди добились относительной независимости от окружающей среды, после того как научились добывать и поддерживать огонь. Это было одним из величайших открытий, сделанных на заре развития человечества.[2]
Эволюция представлений о природе тепловых явлений - пример того, каким сложным и противоречивым путем постигают научную истину. Многие философы древности рассматривали огонь и связанную с ним теплоту как одну из стихий, которая наряду с землей, водой и воздухом образует все тела. Одновременно предпринимались попытки связать теплоту с движением, ибо было замечено, что при соударении тел или трении их друг о друга они нагреваются.
Первые успехи на пути построения научной теории теплоты относятся к началу XVII в., когда был изобретен термометр и появилась возможность количественного исследования тепловых процессов и свойств макросистем.
Вновь перед наукой встал вопрос: что же такое теплота? Наметились две противоположные точки зрения. Согласно одной из них - вещественной теории тепла - теплота рассматривалась как особого рода невесомая "жидкость", способная перетекать от одного тела к другому. Эта жидкость была названа теплородом. Чем больше теплорода в теле, тем выше температура тела.
Приверженцы другой точки зрения полагали, что теплота - это вид внутреннего движения частиц тела. Чем быстрее движутся частицы тела, тем выше его температура.
Таким образом, представление о тепловых явлениях и свойствах связывалось с атомистическим учением древних философов о строении вещества. В рамках подобных представлений теорию тепла первоначально называли корпускулярной (от слова "корпускула" - частица). Ее придерживались Ньютон, Гук, Бойль, Бернулли.
Большой вклад в развитие корпускулярной теории тепла сделал великий русский ученый М. В. Ломоносов. Он рассматривал теплоту как вращательное движение частиц вещества. С помощью своей теории ученый объяснил процессы плавления, испарения и теплопроводности, а также пришел к выводу о существовании "наибольшей или последней степени холода", когда движение частичек вещества прекращается. Благодаря работам Ломоносова среди русских ученых было очень мало сторонников вещественной теории теплоты.
И все же, несмотря на многие преимущества корпускулярной теории теплоты, к середине XVIII в. временную победу одержала теория теплорода. Это произошло после того, как экспериментально было доказано сохранение теплоты при теплообмене. Отсюда был сделан вывод о сохранении (неуничтожении) тепловой жидкости - теплорода. В вещественной теории было введено понятие теплоемкости тел и с ее помощью построена количественная теория теплопроводности. Многие термины, введенные в то время, сохранились и доныне.
В середине XIX в. была доказана связь между механической работой и количеством теплоты. Подобно работе количество теплоты оказалось мерой изменения энергии. Нагревание тела связано не с увеличением в нем количества особой невесомой "жидкости", а с увеличением его энергии. Принцип теплорода был заменен гораздо более глубоким законом сохранения энергии. Было установлено, что теплота представляет собой форму энергии.
Значительный вклад в развитие теорий тепловых явлений и свойств макросистем внесли немецкий физик Р. Клаузиус (1822-1888), английский физик-теоретик Дж. Максвелл, австрийский физик Л. Больцман (1844-1906) и другие ученые.
Термодинамическое и статистическое описание свойств макросистем.
Открытие закона сохранения энергии способствовало развитию двух качественно различных, но взаимно дополняющих методов исследования тепловых явлений и свойств макросистем: термодинамического и статистического (молекулярно-кинетического). Первый из них лежит в основе термодинамики, второй - молекулярной физики.
Термодинамика представляет собой науку о тепловых явлениях, в которой не учитывается молекулярное строение тел. В термодинамике тепловые явления описываются с помощью величин, регистрируемых приборами, не реагирующими на воздействие отдельных молекул (термометр, манометр и др.). Все законы термодинамики относятся к телам, число молекул которых огромно. Такие тела называют макроскопическими. Они образуют макросистемы. Газ в баллоне, вода в стакане, песчинка, камень, стальной стержень и т. п. - все это примеры макросистем.
Основа термодинамического метода - определение состояния термодинамической системы, представляющей собой совокупность макроскопических тел, которые взаимодействуют и обмениваются энергией как между собой, так и с другими телами (внешней средой). Состояние системы задается термодинамическими параметрами (параметрами системы), характеризующими ее свойства. Обычно в качестве термодинамических параметров состояния выбирают температуру, давление и удельный объем (объем единицы массы).
Температура - физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы. В соответствии с решением XI Генеральной конференции по мерам и весам (1960 г.) в настоящее время рекомендовано применять только две температурные шкалы - термодинамическую и Международную практическую, градуированные соответственно в Кельвинах (К) и градусах Цельсия (°С). Анализ показывает, что 0 К (абсолютный нуль) недостижим, хотя сколь угодно близкое приближение к нему возможно.
К концу XIX в. была создана последовательная теория поведения больших общностей атомов и молекул - молекулярно-кинетическая теория, или статистическая механика. Многочисленными опытами была доказана справедливость этой теории.
Процессы, изучаемые молекулярной физикой, являются результатом совокупного действия огромного числа молекул. Поведение громадного числа молекул анализируется с помощью статистического метода. Он основан на том, что свойства макроскопической системы в конечном результате определяются свойствами частиц системы, особенностями их движения и усредненными значениями кинетических и динамических характеристик таких частиц (скорости, энергии, давления и т. д.). Например, температура тела определяется скоростью беспорядочного движения его молекул, но так как в любой момент времени разные молекулы имеют различные скорости, она может быть выражена только через среднее значение скорости движения молекул. Нельзя говорить о температуре одной молекулы. Макроскопические характеристики тел имеют физический смысл лишь в случае большого числа молекул.
После создания молекулярной физики термодинамика не утратила своего значения. Она помогает понять многие явления и с успехом применяется при расчетах многих важных механических устройств. Общие законы термодинамики справедливы для всех веществ независимо от их внутреннего строения. Вместе с тем при расчете различных процессов с помощью термодинамики многие физические параметры, например теплоемкости тел, необходимо определять экспериментально. Статистические же методы позволяют на основе данных о строении вещества определить такие параметры. Однако количественная теория твердого и особенно жидкого состояния вещества очень сложна, поэтому в ряде случаев простые расчеты, основанные на законах термодинамики, оказываются незаменимыми.
В настоящее время в науке и технике широко используются как термодинамические, так и статистические методы описания свойств микросистемы.
Основные положения молекулярно-кинетическик представлений.
В основе молекулярно-кинетических представлений о строении и свойствах макросистем лежат три положения:
- - любое тело - твердое, жидкое или газообразное - состоит из большого числа весьма малых частиц - молекул (атомы можно рассматривать как одноатомные молекулы); - молекулы всякого вещества находятся в беспорядочном, хаотическом, не имеющем какого-либо преимущественного направления движении; - интенсивность, определяемая скоростью движения молекул, зависит от температуры вещества.
Тепловые процессы связаны со строением вещества и его внутренней структурой. Например, нагревание кусочка парафина на несколько десятков градусов превращает его в жидкость, а подобное нагревание металлического стержня не оказывает на него заметного влияния. Такое различное действие нагревания связано с различием во внутреннем строении данных веществ. Поэтому исследование тепловых явлений можно использовать для выяснения общей картины строения вещества. И, наоборот, определенные представления о строении вещества помогают понять физическую сущность тепловых явлений, дать им глубокое наглядное истолкование.
Количественным воплощением молекулярно-кинетических представлений служат опытные газовые законы (Бойля-Мариотта, Гей-Люссака, Авогадро, Дальтона), уравнение Клапейрона-Менделеева (уравнение состояния), основное уравнение кинетической теории идеальных газов, закон Максвелла для распределения молекул и др.
Из основного уравнения молекулярно-кинетической теории вытекает важный вывод: средняя кинетическая энергия поступательного движения одной молекулы идеального газа прямо пропорциональна его термодинамической температуре и зависит только от нее:
Где k - постоянная Больцмана; Т - температура.
Из данного уравнения следует, что при Т = 0 средняя кинетическая энергия равна нулю, т. е. при абсолютном нуле прекращается поступательное движение молекулгаза, а следовательно, его давление равно нулю. Термодинамическая температура - мера кинетической энергии поступательного движения идеального газа, а приведенная формула раскрывает молекулярно-кинетическое толкование температуры.
Первое положение молекулярно-кинетических представлений - любое тело состоит из большого числа весьма малых частиц-молекул - доказано многочисленными опытами, одновременно подтвердившими реальное существование молекул и атомов. Приведем некоторые цифры, показывающие, насколько малы размеры молекул и атомов и как много их содержится в каком-либо макроскопическом теле.
С помощью ионного микроскопа удалось показать, что диаметр атомов вольфрама составляет около 2 ангстрем (1 ангстрем равен 10-8 см). Размер молекулы водорода примерно того же порядка - примерно 2,3 ангстрема. Теперь понятно: при очень малых размерах молекул число их в любом макроскопическом теле огромно. Несложный расчет показывает, что число молекул в капле воды составляет около 3-1022. Такой маленький объект, а содержит такое колоссальное число молекул!
Похожие статьи
-
В настоящее время в области фундаментальной теоретической физики выделяются три уровня строения материи: микромир - мир предельно малых, непосредственно...
-
Представление о строении атомного ядра - Эволюция современного естествознания
Вещество - это форма существования материи, в которой она проявляет себя, прежде всего, в виде частиц, имеющих собственную массу (массу покоя). Согласно...
-
ТРЕТЬЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ - Законы термодинамики и их место в современной картине мира
Третье начало термодинамики (теорема Нернста): энтропия физической системы при стремлении температуры к абсолютному нулю не зависит от параметров системы...
-
Звезды. На современном этапе эволюции Вселенной вещество в ней находится преимущественно в звездном состоянии. 97% вещества в нашей Галактике...
-
Основные положения теории неодарвинизма - Эволюция современного естествознания
Теория эволюции занимает особое место в изучении истории жизни и служит фундаментом для всей биологии. [3 ] Эволюция - всеобщее постепенное развитие,...
-
Вселенная - это самая крупная материальная система; это весь существующий материальный мир, без граничный во времени и пространстве и бесконечно...
-
Существующие гипотезы об эволюции Вселенной - Современные концепции естествознания
Как бы не решался вопрос о многообразии космологических моделей, очевидно, что наша Вселенная расширяется, эволюционирует. Согласно теоретическим...
-
Квантовые постулаты Бора и волновые свойства микрочастиц. Гипотеза де Бройля - Квантовая механика
Следующий шаг в развитии представлений об устройстве атома сделал в 1913 году выдающийся датский физик Н. Бор. Проанализировав всю совокупность опытных...
-
Современные биотехнологии - Краткий очерк теории эволюции. Концепции современного естествознания
Биотехнологии основаны на использовании живых организмов и биологических процессов в промышленном производстве. На их базе освоено массовое производство...
-
Введение, Современная физическая картина мира - От физики существующего к физике возникающего
Представленная работа посвящена теме "От физики существующего к физике возникающего". Проблема данного исследования носит актуальный характер в...
-
Химическая эволюция - Зарождение жизни в горячей воде
Химическая эволюция или пребиотическая эволюция - этап, предшествовавший появлению жизни, в ходе которого органические, пребиотические вещества возникли...
-
Энергия - Естествознание - единая наука о природе
Земля планета солнечной энергии. "Живая сила" Лейбница. Основы термодинамики. Энтропия. Демон Максвела. На нашей планете основным источником энергии...
-
Естествознание и образование - Закономерности и особенности развития современного естествознания
Еще в древности было известно, что чем больше сфера знания, то тем еще больше сфера незнания. Вот почему важно разобраться в структуре запаса информации...
-
Литература - Современная теория эволюции
1. Афанасьев В. Г. Мир живого: системность, эволюция и управление. М. 1986. 2. Дарвинизм: история и современность. Л., 1988. 3. Дубинин Н. П. Очерки о...
-
Основные законы эволюции, Основные факторы эволюции - Современная теория эволюции
Многочисленные исследования, проведенные в рамках вышеупомянутых наук, позволили сформулировать следующие основные законы эволюции. 1. Скорость эволюции...
-
Заключение - Закономерности и особенности развития современного естествознания
Говоря о закономерностях и особенностях развития современного естествознания как целостной науки о природе, отметим следующие моменты: Во-первых,...
-
Предмет и цели естествознания - Закономерности и особенности развития современного естествознания
Как и любая предметная область знания, предмет естествознания имеет свою историю и логику развития, которые естественно не совпадают, как и не совпадают...
-
Заряженная частица при прохождении через вещество теряет свою энергию вследствие ионизационного торможения. Ионизационное торможение - это механизм...
-
Слово "естествознание"- (естество - природа) означает знание о природе или природоведение. Последнее слово происходит от общеславянского термина "веды" -...
-
Хаос порядок термодинамический равновесие - Хаос и порядок. Явление самоорганизации
Могут быть разные виды открытых микроскопических и макроскопических систем, в которых происходит обмен и трансформация энергии, приводящие к...
-
На плотных питательных средах микробы растут в виде колоний. Колонии разных микробов отличаются по форме, размерам, консистенции, цвету и другим...
-
Строение, свойства и функции - Роль белков в организме
"Во всех растениях и животных присутствует некое вещество, которое, без сомнения, является наиболее важным из всех известных веществ живой природы, и без...
-
Определено расположение субъединиц в геномах вирусов, прокариотов и эукариотов, послужившее основой для создания универсального генетического кода....
-
Сразу же отметим, что изменить положение своей БД для ответа на изменение внешней среды в водах с замедленным течением и тем более - в стоячих водах...
-
В конце Х1Х в. великий русский естествоиспытатель В. В. Докучаев своими исследованиями чернозема и других почв Русской долины и Кавказа установил, что...
-
Характеристика биологического прогресса и регресса - Виды эволюции человека
Прогресс биологический - это эволюционное развитие систематической группы: увеличение числа входящих в нее видов, подвидов и других таксонов, расширение...
-
В каждом организме (животном, растительном или микробной клетке) все время происходят сложные процессы превращения веществ. Велика роль в этих процессах...
-
Химический состав микробов. Вода составляет основную массу микробной клетки - в капсульных бактериях ее больше, в бациллах меньше. В Aerobacter aceti...
-
Современное представление о сущности живого - Сущность живого и проблема его происхождения
На основании вышесказанного, возможно такое определение жизни: "Живое - дискретные, молекулярные, термодинамические открытые системы или комплексы...
-
Научное познание: структура и методы - Естествознание - единая наука о природе
Структура научного познания Понятие метода и методологии (и границы научного метода) Классификация методов научного познания Главное назначение научной...
-
Благодаря постоянному и беспорядочному броуновскому движению молекул воды [4] две идентичные по всем параметрам биомолекулы (БМ) способны не только...
-
Общенаучные методы исследования - Методология научного исследования в естествознании
Процесс познания как основа любого научного исследования представляет собой сложный диалектический процесс постепенного воспроизведения в сознании...
-
Свойство белков - Основы генетики
Белки - высокомолекулярные соединения, построенные из аминокислот и являются одними из наиболее сложных по строению и составу среди всех органических...
-
Прежде всего, если мы рассматриваем научное естествознание, то ему присущи закономерности развития науки как таковой, но с учетом специфики развития...
-
Естествознание на современном этапе - Естествознание - единая наука о природе
(современное естествознание) Современная наука ведет свой отчет с 10-20-х гг. ХХ в. Для нее характерна ассоциация математических, гуманитарных и...
-
Введение - Закономерности и особенности развития современного естествознания
Слово "естествознание" представляет собой сочетание двух слов - "естество" ("природа") и "знание". Оно может быть заменено менее употребительным...
-
Введение - Современная теория эволюции
Эволюция происходит в течение периода времени, превышающего срок жизни одного поколения, и заключается в изменении наследуемых черт организма. Первым...
-
Литература - Современные концепции естествознания
Бабушкин А. Н. Современные концепции естествознания: Лекции по курсу. М., 2000. Голубева О. Н., Суханов А. Д. Концепции современного естествознания:...
-
Ионизирующее излучение объединяет в себе радиоактивные излучения ( б, в, г - лучи), жесткое рентгеновское излучение, а также поток протонов и нейтронов....
-
Теория Вехтерхойзера - Зарождение жизни в горячей воде
Геотермальный химический вехтерхойзер Теория железосерного мира Особенно интенсивная форма содействия минералов и горных пород пребиотическому синтезу...
Cатистические и термодинамические свойства макросистем - Эволюция современного естествознания