Раздел 2. Панорама современного естествознания
Тема 2.1. Основные понятия и законы естествознания
Принципы термодинамики.
От термодинамики к статистической физике: изучение необратимых систем. Для нас совершенно очевидно представление об однонаправленности времени, его необратимости и невозвратности.
С. Карно показал, что теплота создает механическую работу только при тепловом «перепаде», т.е. наличии разности температур нагревателя (T1) и холодильника (T2). Свои теоретические соображения Карно в конечном счете обосновывает невозможностью вечного двигателя, рассматривая это положение в качестве исходной аксиомы физики – первого начала термодинамики. Первое начало термодинамики вытекает из закона сохранения энергии: в замкнутой системе энергия сохраняется, хотя и может приобретать различные формы.
В реальных тепловых двигателях процесс превращения теплоты в работу неизбежно сопровождается передачей определенного количества теплоты внешней среде. В результате нагреватель охлаждается, внешняя среда нагревается. Это значит, что термодинамические процессы носят необратимый характер, т.е. могут протекать только в одном направлении. Иначе говоря, невозможен процесс, при котором теплота переходила бы самопроизвольно от холодных тел к телам нагретым. Это и есть одна из формулировок второго начала термодинамики. Решая эту задачу, Клаузиус вводит понятие энтропии – функции состояния системы.
|
|
|
Понятие энтропии является центральным в термодинамике. Энтропия — это мера способности теплоты к превращению. В обратимых системах энтропия неизменна, а в необратимых – постоянно меняется (dE > dQ/T). Второе начало термодинамики гласит, что в замкнутой системе энтропия не может убывать, а лишь возрастает до тех пор, пока не достигнет максимума.
Уже в начале XX в. (В. Нернст, 1906) было сформулировано третье начало термодинамики, согласно которому при стремлении температуры Т к абсолютному нулю энтропия (Е) любой системы стремится к конечному пределу, не зависящему от давления, плотности или фазы (при Т —> 0 ∆Е —> 0). Иначе говоря, ни в каком конечном процессе, связанном с изменением энтропии, достижение абсолютного нуля невозможно; к нему можно лишь бесконечно приближаться.
Возникновение и развитие кинетической теории газов, которая в дальнейшем преобразовалась в новую отрасль физики – статистическую физику: разработана кинетическая модель идеального газа (Р. Клаузиус), закон распределения скоростей молекул газа (Дж.К. Максвелл), теория реальных газов (Й.Д. Ван-дер-Ваальс), определены реальные размеры молекул, найдено число молекул в единице объема газа при нормальных условиях (число Лошмидта), число молекул в одной грамм-молекуле (число Авогадро) и др.
|
|
|
Если система состоит из небольшого числа частиц, то поведение такой системы можно описать уравнениями классической механики. Но если система состоит из громадного числа частиц, то необходим принципиально иной подход – статистический. Статистическая термодинамика находит свое развитие в работах Дж. Гиббса, в его статистической механике (1902). В 1906 г. М. Смолуховский разрабатывает теорию флуктуаций (беспорядочных колебаний относительно некоторого среднего значения) и применяет ее к анализу явлений, в которых может непосредственно наблюдаться антиэнтропийное поведение. Новый этап в развитии исследований необратимых систем наступил только в конце XX в., с созданием теории самоорганизации (синергетики).
Развитие представлений о пространстве и времени.
Все системы, связанные со свободными телами, не находящимися под влиянием каких-либо других тел, равноправны.
Инерциалъные системы — это системы, которые движутся прямолинейно и равномерно относительно друг друга.
В.Клиффорд предложил нечто вроде полевой теории материи, где материальные частицы представляют собой сильно искривленные области пространства.
Дата добавления: 2015-12-18; просмотров: 20; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!