зменение Внутренняя энергия системы в адиабатном процессе (при отсутствии теплообмена с окружающей средой, т.е. при Q = 0) равно работе, производимой над системой или произведённой системой.

В случае простейшей физической системы - идеального газа - изменение Внутренняя энергия, как показывает кинетическая теория газов, сводится к изменению кинетической энергии молекул, определяемой температурой. Поэтому изменение Внутренняя энергия идеального газа (или близких к нему по свойствам газов с малым межмолекулярным взаимодействием) определяется только изменением его температуры (закон Джоуля). В физических системах, частицы которых взаимодействуют между собой (реальные газы, жидкости, твёрдые тела), Внутренняя энергия включает также энергию межмолекулярных и внутримолекулярных взаимодействий. Внутренняя энергия таких систем зависит как от температуры, так и от давления (объёма).

Экспериментально можно определить только прирост или убыль Внутренняя энергия в физическом процессе (за начало отсчёта можно взять, например, исходное состояние). Методы статистической физики позволяют, в принципе, теоретически рассчитать Внутренняя энергия физической системы, но также лишь с точностью до постоянного слагаемого, зависящего от выбранного нуля отсчёта.

В области низких температур с приближением к абсолютному нулю (-273,16°С) Внутренняя энергия конденсированных систем (жидких и твёрдых тел) приближается к определённому постоянному значению U 0, становясь независимой от температуры. Значение U 0 может быть принято за начало отсчёта Внутренняя энергия.

Внутренняя энергия относится к числу основных термодинамических потенциалов. Изменение Внутренняя энергия при постоянных объёме и температуре системы характеризует тепловой эффект реакции, а производная Внутренняя энергия по температуре при постоянном объёме определяет теплоёмкость системы.

Закон сохранения и превращения энергии, распространенный на тепловые явления, носит название первого закона термодинамики.

В общем случае при переходе системы из одного состояния в другое внутренняя энергия меняется одновременно как за счет совершения работы А, так и за счет передачи количества теплоты Q:

Д U = A + Q

Ускорение свободного падения: 10 Число Авогадро: 6*1023 Молярная масса воды: 18*10-3

6. Что такое фазовое равновесие, перегретая жидкость, процессы сублимации и десублимации? Опишите физическую картину процесса кипения. Как зависит точка кипения от внешнего давления? Приведите примеры проявления этих процессов в природе

Фазовое равновесие, сосуществование термодинамически равновесных фаз гетерогенной системы. Является одним из основных случаев термодинамического равновесия и включает в себя условия равенства температуры всех частей системы (термич. равновесие), равенства давления во всем объеме системы (мех. равновесие) и равенство хим. потенциалов каждого компонента во всех фазах системы, что обеспечивает равновесное распределение компонентов между фазами. Число фаз f, находящихся одновременно в равновесии, связано с числом компонентов k, числом n независимых параметров, определяющих состояние системы (обычно, когда учитывается только влияние т-ры и давления, n = 2), и числом термодинамич. степеней свободы v ур-нием: v = k + 2 - f.

В общем виде условие фазовое равновесие, согласно принципу равновесия Гиббса, сводится к максимуму энтропии S системы при постоянстве внутр. энергии U, общего объема V и числа молей каждого компонента ni-. Этот принцип можно выразить также как условие минимума любого из термодинамич. потенциалов: внутр. энергии U, энтальпии H, энергии Гиббса G, энергии Гельмгольца А при условии постоянства соответствующих параметров состояния, включая число молей каждого компонента.

Сублимация - переход из твердой фазы в газообразную. Десублимация - переход из газовой фазы в твердую.

Испарение может происходить не только с поверхности, но и в объеме жидкости. В жидкости всегда имеются мельчайшие пузырьки газа. Если давление насыщенного пара жидкости равно внешнему давлению (т.е. давлению газа в пузырьках) или превышает его, жидкость будет испаряться внутрь пузырьков. Пузырьки, наполненные паром, расширяются и всплывают на поверхность. Этот процесс называется кипением. Таким образом, кипение жидкости начинается при такой температуре, при которой давление ее насыщенных паров становится равным внешнему давлению.

В частности, при нормальном атмосферном давлении вода кипит при температуре 100 °С. Это значит, что при такой температуре давление насыщенных паров воды равно 1 атм. При подъеме в горы атмосферное давление уменьшается, и поэтому температура кипения воды понижается (приблизительно на 1 °С на каждые 300 метров высоты). На высоте 7 км давление составляет примерно 0,4 атм, и температура кипения понижается до 70 °С.

В герметически закрытом сосуде жидкость кипеть не может, т.к при каждом значении температуры устанавливается равновесие между жидкостью и ее насыщенным паром. По кривой равновесия p0 (T) можно определять температуры кипения жидкости при различных давлениях.

При заданной температуре T термодинамическое равновесие между двумя фазами одного и того же вещества возможно лишь при определенном значении давления в системе. Зависимость равновесного давления от температуры называется кривой фазового равновесия. Примером может служить кривая равновесия p0 (T) насыщенного пара и жидкости. Если кривые равновесия между различными фазами данного вещества построить на плоскости (p, T), то они разбивают эту плоскость на отдельные области, в которых вещество существует в однородном агрегатном состоянии - твердом, жидком или газообразном (рис.1). Изображенные в координатной системе (p, T) кривые равновесия называются фазовой диаграммой.

Рисунок 1. Типичная фазовая диаграмма вещества. K - критическая точка, T - тройная точка. Область I - твердое тело, область II - жидкость, область III - газообразное вещество.

Кривая OT, соответствующая равновесию между твердой и газообразной фазами, называется кривой сублимации. Кривая TK равновесия между жидкостью и паром называется кривой испарения, она обрывается в критической точке K. Кривая TM равновесия между твердым телом и жидкостью называется кривой плавления. Кривые равновесия сходятся в точке T, в которой могут сосуществовать в равновесии все три фазы. Эта точка называется тройной точкой.

Для многих веществ давление pтр в тройной точке меньше 1 атм ? 105 Па. Такие вещества при нагревании при атмосферном давлении плавятся. Например, тройная точка воды имеет координаты Tтр = 273,16 К, pтр = 6,02·102 Па. Эта точка используется в качестве опорной для калибровки абсолютной температурной шкалы Кельвина. Существуют, однако, и такие вещества, у которых pтр превышает 1 атм. Так для углекислоты (CO2) давление pтр = 5,11 атм и температура Tтр = 216,5 К. Поэтому при атмосферном давлении твердая углекислота может существовать только при низкой температуре, а в жидком состоянии при p = 1 атм она вообще не существует. В равновесии со своим паром при атмосферном давлении углекислота находится при температуре 173 К или -80 °С в твердом состоянии. Это широко применяемый "сухой лед", который никогда не плавится, а только испаряется (сублимирует).

7. Охарактеризуйте строение и биологическое значение АТФ, почему АТФ называют основным источником энергии в клетке?

Рис.1. Схема строения АТФ

АТФ - это аденозинтрифосфат, нуклеотид, относящийся к группе нуклеиновых кислот. Концентрация АТФ в клетке мала (0,04%; в скелетных мышцах 0,5%). Молекула АТФ состоит из аденина, рибозы и трех остатков фосфорной кислоты (рис.1). При гидролизе остатка фосфорной кислоты выделяется энергия:

АТФ + H2O = АДФ + Н3РО4 + 40 кДж/моль.

Связь между остатками фосфорной кислоты является макроэргической, при ее расщеплении выделяется примерно в 4 раза больше энергии, чем при расщеплении других связей.

Энергия гидролиза АТФ используется клеткой в процессах биосинтеза и деления клетки, при движении, при производстве тепла, при проведении нервных импульсов и т.д.

После гидролиза образовавшийся АДФ обычно с помощью белков-цитохромов быстро вновь фосфорилируется с образованием АТФ. АТФ образуется в митохондриях при дыхании, в хлоропластах - при фотосинтезе, а также в некоторых других внутриклеточных процессах. АТФ называют универсальным источником энергии, потому что энергетика клетки основана главным образом на процессах, в которых АТФ либо синтезируется, либо расходуется.

8. Основные выводы учения Вернадского о биосфере. Охарактеризуйте понятия "экосистема", "биогеоценоз", "экологическая ниша", "биоценоз". Чем определяется их устойчивость, какие связи существуют между организмами в экосистеме, и как они моделируются?

В.И. Вернадский первый аргументировано проанализировал основы теории функционирования биосферы с учетом системного ее качества, специфики организации, возможности развития в режиме "эффективность-оптимум". Он увидел, что в структурно-функциональном и пространственно-временном аспектах организованность биосферы создается и сохраняется на протяжении миллиардов лет существования благодаря деятельности живых организмов.

Биосфера, по В.И. Вернадскому, предстает в виде комплекса систем типа: "предмет жизнедеятельности - живой организм", связанных друг с другом. "Нет ни одного организма, который бы в своем дыхании и питании не был бы связан хотя бы отчасти с косной материей". Взаимозависимость "живое вещество - предмет жизнедеятельности (неорганическая и органическая среда)" действует в соответствии с законом бережливости, регулирующим геохимические процессы биосферы. Подчиняясь ему, живое вещество экономно использует необходимые химические элементы и соединения.

Все виды живого вещества, взаимодействуя с предметами жизнеобеспечения, берут надолго или навсегда строго фиксируемый состав элементов, с достаточной степенью эффективности используют каждый из них в пределах своего биоцикла, замыкая последний по формуле: беру необходимое - экономно использую - отдаю остатки в приемлемой для окружающей среды форме.

Необычный подход к определению роли живых организмов в биосфере позволил В.И. Вернадскому по-новому оценить масштабы, глубину последствий деятельности живого вещества и в особенности производственной деятельности человека для настоящего и будущего Земли.

Человек - существо биосоциальное - продолжает эволюцию материи в специфических, свойственных только ему формах. Он становится носителем универсального типа связей (предмет жизнедеятельности дополняется предметом труда, а последним становится планета). "Мощь человека связана с его мозгом, с его разумом и направленным этим разумом трудом".

Геохимическая функция организмов в биосфере до появления человека - на это обстоятельство В.И. Вернадский обращает внимание ввиду его исключительной важности - стихийно вписывалась в кругооборот веществ, не причиняя ущерба природе. Процессы образования и разрушения живого здесь как бы уравновешивали друг друга. С появлением человека характер их меняется сначала постепенно, а начиная с ХХ века - глубоко и остро, что связано со становлением человечества, действующего "как единое целое по отношению к остальному живому населению планеты".

Освобожденные в результате антропогенной деятельности химические элементы, лишь в малой доле своей включаясь в последующие циклы производства, превращаются рано или поздно в балласт, небезразличный для биосферы, более того, разрывающий своим присутствием устоявшиеся биогеохимические ее циклы.

Выход из подобного рода ситуации, по теории В.И. Вернадского, один: деятельность человечества должна быть согласована с алгоритмом функционирования старинных биогеохимических циклов планеты.

В.И. Вернадский, размышляя над этой проблемой, счел необходимым в качестве органической ее части вывод о том, что завершающим этапом эволюции "шара жизни" станет новое его состояние - НООСФЕРА.

В работе "Научная мысль как планетное явление" ученым намечаются контуры антропогенного этапа эволюции биосферы - биотехносферы, осуществляющейся сообразно степени реализации человеком мощи разума и труда, концентрируемых в предметах, средствах и результатах его деятельности.

Научная мысль есть планетарное явление, что соответствует сути ноосферы - созданию на строго научных началах оболочки планеты как самоорганизующейся, динамичной системы.

В.И. Вернадский всесторонне обосновал тезис: переход биосферы в ноосферу предопределен развитием материального и духовного производств. Подтверждается ли этот вывод развитием сфер производства?

Предмет труда материального производства влияет на окружающую среду своими отходами. Они образуются на стадиях добывающих и обрабатывающих производств, а также, поскольку все виды продукции (готовые и конечные продукты) необходимо перемещать в пространстве, отходами транспортной промышленности.

Предмет труда современного материального производства, изменившись качественно, может иметь следствием подключение его отходов к биогеохимическим циклам планеты. В меру того, как способ его функционирования приближен к варианту - оптимум, он сделает неизбежным переход биотехносферы в ноосферу.

Предмет труда духовного производства, обладая уникальной возможностью непосредственного выхода на предмет труда материального производства в любой его стадии, воздействует на биотехносферу, ускоряя или замедляя течение процесса самим выбором объекта познания. В случае, если он сделан своевременно и правильно, путь от предмета труда духовного производства к предмету труда материального производства сокращается, соответственно интенсифицируется переход биотехносферы в ноосферу.

Переход в ноосферу во многом зависит от того, как скоро предметом труда ученых станут опасные для всего живого очаги загрязнений планеты, насколько точно полученные знания смогут осуществиться с учетом параметра биосферосовместимости в предмете труда материального производства, следовательно, в готовой и конечной продукции, итогом функционирования которого они являются.

Показательно сопоставление связей "предмет труда материального производства - биотехносфера" и "предмет труда материального производства - ноосфера".

Обратимые связи биотехносферы (предмет труда - биосфера) существуют наряду с необратимыми (отходы - балласт биосферы). Гармоничное сочетание этих противоположных по своей сущности связей невозможно. Поэтому на определенном этапе эволюции биотехносферы, если вовремя не принять меры, глобальные циклы ломаются.

В ноосфере ситуация радикально изменится за счет образования нового вида связей: неусваиваемые биосферой отходы - биохимцикл очистки - усваиваемые биосферой отходы, что решает проблему балластных образований в биосфере по крайней мере для комплекса биологически вредных продуктов антропогенной деятельности.

В ноосфере, или биотехносфере, регулируемой социумом, познавшим законы ее эволюции, - биогеотехноциклы окажутся замкнутыми, обратимыми.

Сопоставление связей "предмет труда материального производства - биотехносфера" - "предмет труда материального производства - ноосфера" дает основание для заключения: ликвидация разрывов в биотехноциклах планеты возможна при условии перехода от стихийных форм хозяйствования к сознательно регулируемым, позволяющим не только сократить количественно все виды отходов, но и изменять их качественно. Другими словами, предмет труда материального производства - поставщик загрязнений - способен удовлетворить требованиям параметра биосферосовместимости при условии изменений функционирования всех его стадий: нулевого, первичного, вторичного. Учение В.И. Вернадского о биосфере и ноосфере не может не привести к выводу: вторая (искусственная) природа так же как и первая (естественная), должна охватываться законом бережливости. Поступление в сферу материального производства химических элементов должно быть минимальным количественно и качественно; захваченное должно использоваться максимальное число раз; элементы, которые не находят применения в производственных процессах, должны "переключаться" на смежные, сопутствующие; нерегенерируемые далее соединения на выходе в биосферу обезвреживаются (обязательное условие подключения к старинным геохимическим циклам планеты). Осуществление завершающего звена, по В.И. Вернадскому, должно быть итогом переработки отходов и вышедшей из употребления продукции автотрофными, так как высшие формы живой материи - гетеротрофные - способны усваивать без ущерба для себя лишь химически чистые, однородные элементы. Хлорофильные растения и окисляющие бактерии должны поэтому выполнить роль "связующих" звеньев (только они могут питаться изотопическими смесями). Включение низших биологических форм в производственный процесс обеспечивало бы оптимальный вариант решения многих экологически сложных ситуаций.

1. Биотические - связи между живыми организмами в экосистеме. Основной вид биотических связей - пищевые связи (цепи питания).

2. Звенья пищевой цепи:

производители - растения и некоторые бактерии, создающие органические вещества из неорганических;

потребители - животные, некоторые растения и бактерии, питающиеся готовыми органическими веществами;

разрушители - грибы и некоторые бактерии, разрушающие органические вещества до неорганических.

3. Внутривидовые отношения - биотические связи между особями одного вида. Примеры: конкуренция между самцами из-за самки, борьба особей из-за лидерства в группе, забота родителей о потомстве, охрана самцами молодых животных и самок.

4. Межвидовые отношения - биотические связи между особями разных видов (хищничество, конкуренция, паразитизм, симбиоз).

5. Хищничество - прямые пищевые связи между организмами, при которых одни организмы уничтожаются другими организмами. Примеры: поедание лисицей зайцев, синицей - гусениц.

6. Конкуренция - тип взаимоотношений, возникающий между видами со сходными экологическими потребностями из-за пищи, территории и др. Пример: конкуренция между лосями и зубрами, обитающими в одном лесу, из-за пищи. Отрицательное влияние конкуренции на оба конкурирующих вида (например, уменьшение численности лосей и зубров вследствие недостатка корма).

7. Паразитизм - форма межвидовых отношений, при которых одни организмы существуют за счет других, питаясь их кровью, тканями или переваренной пищей. Многократное использование паразитом организма хозяина. Примеры паразитизма: гриб-трутовик и дерево, собака и клещ, паразитические черви и человек.

8. Симбиоз - тип межвидовых отношений, при котором оба организма получают взаимную пользу. Примеры симбиоза: рак-отшельник и актиния, клубеньковые растения и бактерии, шляпочные грибы и деревья, лишайники (симбиоз гриба и водоросли).

9. Роль биотических связей в экосистеме. Взаимосвязь организмов - производителей, потребителей и разрушителей в экосистеме - основа круговорота веществ и превращений энергии. Цепи питания - пути передачи веществ и энергии. Пример: растения - " - растительноядное животное (заяц) - " - хищник (волк).

10. Звенья круговорота веществ: поглощение производителями из окружающей среды неорганических веществ и создание ими органических веществ с использованием энергии солнечного света; потребление органических веществ и заключенной в них энергии организмами-потребителями (растительноядными животными, хищниками, паразитами); разрушение органических веществ до минеральных с освобождением заключенной в них энергии организмами-разрушителями (бактериями, грибами).

9. Каковы отличия науки от других областей культуры? Как соотносится наука с обыденным знанием, с религией?

В результате своей деятельности создает совокупность материальных и духовных ценностей, т.е. культуру. Мир материальных ценностей (техника, технология) образуют материальную культуру. Наука, искусство, литература, религия, мораль, мифология относятся к духовной культуре. В процессе познания окружающего мира и самого человека формируются различные науки. Естественные науки - науки о природе - формируют естественно-научную культуру, гуманитарные - художественную (гуманитарную культуру).

На начальных стадиях познания (мифология, натурфилософия) оба этих вида наук и культур не разделялись. Однако постепенно каждая из них разрабатывала свои принципы и подходы. Разделению этих культур способствовали и разные цели: естественные науки стремились изучить природу и покорить ее; гуманитарные своей целью ставили изучение человека и его мира.

Считается, что методы естественных и гуманитарных наук также преимущественно различны: рациональный в естественных и эмоциональный (интуитивный, образный) в гуманитарных. Справедливости ради надо заметить, что резкой границы здесь нет, поскольку элементы интуиции, образного мышления являются неотъемлемыми элементами естественнонаучного постижения мира, а в гуманитарных науках, особенно в таких как история, экономика, социология, нельзя обойтись без рационального, логического метода. В античную эпоху преобладало единое, нерасчлененное знание о мире (натурфилософия). Не существовало проблемы разделения естественных и гуманитарных наук и в эпоху средневековья (хотя в то время уже начался процесс дифференциации научного знания, выделение самостоятельных наук). Тем не менее, для средневекового человека Природа представляла собой мир вещей, за которыми надо стремиться видеть символы Бога, т.е. познание мира было прежде всего познанием божественной мудрости. Познание было направлено не столько на выявление объективных свойств явлений окружающего мира, сколько на осмысление их символических значений, т.е. их отношения к божеству.

В эпоху Нового времени (17-18 вв) началось исключительно быстрое развитие естествознания, сопровождавшееся процессом дифференциации наук. Успехи естествознания были настолько велики, что в обществе возникло представление об их всесильности. Мнения и возражения представителей гуманитарного направления зачастую игнорировались. Рациональный, логический метод познания мира стал определяющим. Позже наметился своего рода раскол между гуманитарной и естественнонаучной культурой.

Одной из самых известных книг на эту тему явилась публицистически острая работа английского ученого и писателя Чарльза Перси Сноу "Две культуры и научная революция", появившаяся в 60-е годы. В ней автор констатирует раскол между гуманитарной и естественнонаучной культурами на две части, являющих собой как бы два полюса, две "галактики". Сноу пишет "…На одном полюсе - художественная интеллигенция, на другом - ученые, и, как наиболее яркие представители этой группы - физики. Их разделяет стена непонимания и иногда (особенно среди молодежи) антипатии и вражды, но главное, конечно, непонимания. У них странное, извращенное понимание друг о друге. Они настолько по-разному относятся к одним и тем же вещам, что не могут найти общий язык даже в области чувств". В нашей стране это противоречие никогда не принимало такого антагонистического характера, тем не менее в 60-е - 70-е годы оно нашло отражения в многочисленных дискуссиях между "физиками" и "лириками" (о моральной стороне медико-биологических исследований на человеке и на животных, о мировоззренческой сущности некоторых открытий и т.п.).

Часто можно услышать, что техника и точные науки отрицательно влияют на мораль. Можно услышать, что открытие атомной энергии и выход человека в космос - преждевременны. Утверждают, будто технология сама по себе ведет к деградации культуры, наносит ущерб творчеству и производит лишь культурную дешевку. В наши дни успехи биологии породили бурные дискуссии о допустимости исследовательских работ по клонированию высших животных и человека, в которых проблема науки и технологии рассматривается с точки зрения этики и религиозной морали.

Известный писатель и философ С. Лем в своей книге "Сумма технологии" опровергает эти взгляды, утверждая, что технологию следует признать "орудием достижения различных целей, выбор которых зависит от уровня развития цивилизации, общественного строя и которые подлежат моральным оценкам. Технология дает средства и орудия; хороший или дурной способ их употребления - это наша заслуга или наша вина".

Так, экологический кризис, поставивший человечество на грань катастрофы, вызван не столько научно-техническим прогрессом, сколько недостаточным распространением в обществе научных знаний и культуры в общем смысле этого слова. Поэтому сейчас много внимания уделяется гуманитарному образованию, гуманизации общества. Для человека одинаково важны и современные знания, и соответствующие им ответственность и мораль.

С другой стороны, влияние науки на все сферы жизни стремительно растет. Мы должны признать, что на нашу жизнь, на судьбы цивилизации, в конечном счете, открытия ученых и технические достижения, с ними связанные, повлияли гораздо больше, чем все политические деятели прошлого. В то же время уровень естественнонаучного образования большинства людей остается невысоким. Плохо или неверно усвоенная научная информация делает людей восприимчивыми к антинаучным идеям, мистике, суевериям. Но современному уровню цивилизации может соответствовать только ""человек культуры", причем здесь имеется в виду культура единая: как гуманитарная, так и естественнонаучная. Этим и объясняется введение в учебные планы гуманитарных специальностей дисциплины "Концепции современного естествознания".

Список использованной литературы

1. Алексеев И.С. Пространство и время // Физический энциклопедический словарь. М., 2003, с.592-93;

2. Аронов Р.А. Непрерывность и дискретность пространства и времени // Пространство, время, движение. М., 1971;

3. Ахундов М.Д. Проблема прерывности и непрерывности пространства и времени. М., 1974;

4. Барашенков В.С. Проблемы субатомного пространства и времени. М.: Атомиздат, 1979;

5. Бор Н. Атомная физика и человеческое познание. М., 1961;

6. Бройль Л., де. Революция в физике. М., 1963;

7. Гейзенберг В. Шаги за горизонт. М., 1987;

8. Вяльцев А.Н. Дискретное пространство - время. М., 1965;

9. Диоген Лаэртский. О жизни, учениях и изречениях знаменитых философов. М., 1979;

10. Кедров Б.М. Атомизм // Большая советская энциклопедия, т.2. М, 1970., с.395-97;

11. Левич А.П. Субституционное время естественных систем // Вопросы философии, 1996, № 1;

12. Непрерывность // Краткая философская энциклопедия. М., 1994, с.299-300;

13. Молчанов Ю.Б. Четыре концепции времени в философии и физике. М., 1977;

14. Ньютон и философские проблемы физики ХХ века. М., 1991;

15. Новые идеи в естествознании. СПб, 1996;

16. Пенроуз Р. Структура пространства - времени. М.: Мир, 1972;

17. Разумовский О.С. Время: иллюзия или реальность (К. Гёдель и вслед за ним) // Полигнозис, 1998, № 1, с.35-42;

18. Спиркин А.Г. Непрерывность и прерывность // Философский энциклопедический словарь. М., 1983;

19. Хокинг С. От большого взрыва до черных дыр. Краткая история времени. М: Мир, 1990; McTaggart J. E. The Unreality of Time // Mind, Oct. 1908, v.17, N 68; и др.

20. Курс физики. А.А. Детлаф, Б.М. Яворский. 2000. С.646.

Страницы: 1, 2, 3