Развитие термодинамики. Формирование представлений о превращении энергии - Контрольная работа

До возникновения термодинамики понятие времени по существу отсутствовало в классической физике в том виде, в каком оно рассматривается в реальной жизни и в науках, изучающих процессы, протекающие во времени и имеющих свою историю. Хотя в качестве переменной время входит во все уравнения классической и квантовой механики, тем не менее, оно не отражает внутренние изменения, которые происходят в системе. Если прежняя динамика описывала законы движения тел под воздействием внешних сил, сознательно отвлекаясь от внутренних изменений, происходящих в механических системах, то термодинамика вынуждена была исследовать физические процессы при различных преобразованиях тепловой энергии. Термодинамика рассматривает системы, между которыми возможен обмен энергией, без учета микроскопического строения тел, составляющих систему, и характеристик отдельных частиц. Таким образом, можно высказать общее положение: движущая сила существует в природе в неизменном количестве, она никогда не создается, никогда не уничтожается; в действительности она меняет форму, т.е. вызывает то один род движения, то другой ..." Чтобы усмотреть здесь закон сохранения и превращения энергии - достаточно вместо "движущей силы" поставить "энергию" (термин "энергия" был введен еще Юнгом в 1807 г., но прижился не сразу; под "энергией" Юнг понимал произведение массы тела на квадрат его скорости).Современная наука и синергетика объясняют процесс самоорганизации систем следующим образом. В точке равновесия система обладает максимальной энтропией и поэтому не способна к какой-либо организации: в этом состоянии достигается максимум ее самодезорганизации. В состоянии, близком к равновесию, система со временем приблизится к нему и придет в состояние полной дезорганизации. Такие флуктуации, или случайные отклонения, системы от некоторого среднего положения, в самом начале подавляются и ликвидируются системой. В самоорганизующейся системе изменения, появляющиеся в системе, не устраняются, а накапливаются и усиливаются, что и приводит в конце концов к возникновению нового порядка и структуры.

Содержание

Введение

1. Развитие термодинамики. Формирование представлений о превращении энергии

1.1 Первый закон термодинамики

1.2 Второй закон термодинамики

1.3 Третий закон термодинамики

Заключение

Глоссарий

Именной указатель

Современная наука и синергетика объясняют процесс самоорганизации систем следующим образом.

1. Система должна быть открытой. Закрытая система в соответствии с законами термодинамики должна в конечном итоге прийти к состоянию с максимальной энтропией.

2. Открытая система должна быть достаточно далека от точки термодинамического равновесия. В точке равновесия система обладает максимальной энтропией и поэтому не способна к какой-либо организации: в этом состоянии достигается максимум ее самодезорганизации. В состоянии, близком к равновесию, система со временем приблизится к нему и придет в состояние полной дезорганизации.

3. Фундаментальным принципом самоорганизации служит возникновение и усиление порядка через флуктуации. Такие флуктуации, или случайные отклонения, системы от некоторого среднего положения, в самом начале подавляются и ликвидируются системой. Но в открытых системах благодаря усилению неравновесности эти отклонения со временем возрастают и в конце концов приводят к "расшатыванию" прежнего порядка и возникновению нового. Этот процесс обычно характеризуют как принцип образования порядка через флуктуации. Так как флуктуации носят случайный характер, то становится ясно, что появление нового в мире всегда связано с действием случайных факторов. Об этом говорили античные философы Эпикур (341-270 до н.э.) и Лукреций Кар (99-45 до н.э.)

4. Возникновение самоорганизации опирается на положительную обратную связь. Функционирование различных автоматических устройств основывается на принципе отрицательной обратной связи, т.е. на получение обратных сигналов от исполнительных органов относительно положения системы и последующей корректировки этого положения управляющими устройствами. В самоорганизующейся системе изменения, появляющиеся в системе, не устраняются, а накапливаются и усиливаются, что и приводит в конце концов к возникновению нового порядка и структуры.

5. Процессы самоорганизации, как и переходы от одних структур к другим, сопровождаются нарушением симметрии. Так, мы уже видели, что при описании необратимых процессов пришлось отказаться от симметрии времени, характерной для обратимых процессов в механике. Процессы самоорганизации, связанные с необратимыми изменениями, приводят к разрушению старых и возникновению новых структур.

6. Самоорганизация может начаться лишь в системах, обладающих достаточным количеством взаимодействующих между собой элементов, имеющих некоторые критические размеры. В противном случае эффекты от синергетического взаимодействия будут недостаточны для появления коллективного поведения элементов системы и тем самым возникновения самоорганизации.

Можно сделать вывод, что чем выше по эволюционной лестнице система, тем более сложными и многочисленными оказываются факторы, играющие роль в самоорганизации.

Три закона термодинамики вместе с молекулярно-кинетической теорией составили основу термодинамики, сформировавшейся ныне в универсальную строго логическую научную дисциплину.

Глоссарий

Адиабатически изолированная система - термодинамическая система, которая не обменивается с окружающей средой энергией в форме теплоты.

Внешние силы - это силы, действующие на тело извне. Под влиянием внешних сил тело или начинает двигаться, если оно находилось в состоянии покоя, или изменяется скорость его движения, или направление движения. Внешние силы в большинстве случаев уравновешены другими силами и их влияние незаметно.

Внутренняя энергия - полная энергия этого тела за вычетом кинетической энергии тела как целого и потенциальной энергии тела во внешнем поле сил.

Механические системы - обладает определенным числом k степеней свободы и описывается с помощью обобщенных координат q1, … qk.

Обратимый процесс - равновесный тепловой процесс называется обратимым, если его можно провести обратно и в телах, окружающих систему, не останется никаких изменений.

Открытая система - система, которая взаимодействует с окружающей ее средой в каком-либо аспекте: информационном, энергетическом, вещественном и т. д.

Равновесный тепловой процесс - тепловой процесс, в котором система проходит непрерывный ряд бесконечно близких равновесных термодинамических состояний

Изолированная система (замкнутая система) - термодинамическая система, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией. Молекулярно-кинетическая теория -

Тепловой процесс - изменение макроскопического состояния термодинамической системы. Система, в которой идет тепловой процесс, называется рабочим телом.

Тепловая энергия - форма энергии, связанная с движением атомов, молекул или других частиц из которых состоит тело.

Термодинамика - раздел физики, изучающий соотношения и превращения теплоты и других форм энергии.

Классическая механика - механика, в основе которой лежат Ньютона законы механики и предметом изучения которой является движение макроскопических материальных тел, совершаемое со скоростями, малыми по сравнению со скоростью света.

Квантовая механика - фундаментальная физическая теория динамического поведения всех элементарных форм вещества и излучения, а также их взаимодействий. Квантовая механика представляет собой теоретическую основу, на которой строится современная теория атомов, атомных ядер, молекул и физических тел, а также элементарных частиц, из которых все это состоит.

Энтропия - (от греч. ???????? - поворот, превращение) - понятие, впервые введенное Клаузиусом в термодинамике для определения меры необратимого рассеивания энергии, меры отклонения реального процесса от идеального. Определенная как сумма приведенных теплот, она является функцией состояния и остается постоянной при обратимых процессах, тогда как в необратимых - ее изменение всегда положительно.

Именной указатель

Людвиг Больцман - австрийский физик-теоретик, основатель статистической механики и молекулярно-кинетической теории. Член Австрийской академии наук (1895), член-корреспондент Петербургской академии наук (1899) и ряда других.

Джозайя Уиллард Гиббс - американский математик, физик и физикохимик, один из создателей векторного анализа и математической теории термодинамики, что во многом предопределило развитие всех современных точных наук и естествознания в целом; чей образ запечатлен в "Галерее славы великих американцев". Его имя присвоено многим величинам и понятиям химической термодинамики: энергия Гиббса, парадокс Гиббса, правило фаз Гиббса - Гельмгольца, треугольник Гиббса - Розебома, уравнения Гиббса - Дюгема и др.

Гельмгольц Герман Людвиг Фердинанд - немецкий естествоиспытатель, член Берлинской АН (1871). Р. в Потсдаме. Физические исследования относятся к электродинамике, оптике, теплоте, акустике, гидродинамике. В работе "О сохранении силы" (1847) сформулировал и математически обосновал закон сохранения энергии, отметив его всеобщий характер, этому закону подчиняются механические, тепловые, электрические, физиологические и другие процессы. Разработал термодинамическую теорию химических процессов, введя широко используемые понятия свободной и связанной энергии.

Джеймс Прескотт Джоуль - английский физик. Джоуль изучал природу тепла, и обнаружил ее связь с механической работой. Это привело к теории сохранения энергии, что в свою очередь привело к разработке первого закона термодинамики. В честь Джоуля названа единица измерения энергии - джоуль. Он работал с лордом Кельвином над абсолютной шкалой температуры, делал наблюдения над магнитострикцией, открыл связь между током, текущем через проводник с определенным сопротивлением и выделяющемся при этом теплом, названный законом Джоуля.

Карно Лазар Никола - французский математик, член Парижской АН (1796).. Труды по математическому анализу и проективной геометрии. Выпустил книгу "Размышления о метафизике бесконечно малых".

Клаузиус Рудольф Юлиус Эммануэль - немецкий физик, один из основателей термодинамики и молекулярно-кинетической теории теплоты. Первым понял и проанализировал глубокие идеи С. Карно и оценил их значение для теории теплоты и тепловых машин. Развивая эти идеи в 1850 дал первую формулировку второго начала термодинамики; "Теплота не может сама собою перейти от более холодного тела к более теплому". К. доказал, что не существует способа передачи теплоты от более холодного тела к более нагретому без того, чтобы в природе не произошло каких-либо изменений, которые могли бы компенсировать такой переход. В 1865 К. ввел понятие энтропии.

Уильям Томсон, лорд Кельвин - один из величайших физиков. Опубликовал ряд работ по приложению рядов Фурье к вопросам физики, провел важные аналогии между явлениями распространения тепла и электрического тока и показал, как решение вопросов из одной из этих областей применить к вопросам другой области. Развил принципы, которые затем плодотворно приложил ко многим вопросам динамической геологии, например, к вопросу об охлаждении земли.

Введение

Термодинамика - раздел прикладной физики или теоретической теплотехники, в котором исследуется превращение движения в теплоту и наоборот. В термодинамике рассматриваются не только вопросы распространения теплоты, но и физические и химические изменения, связанные с поглощением теплоты веществом, а также, наоборот, выделение теплоты в ходе физических и химических превращений.

Термодинамика находит широкое применение в физической химии и химической физике при анализе физических и химических процессов, в современной физиологии и биологии, в двигателестроении, теплотехнике, авиационной и ракетно-космической технике. Первоначально в термодинамике много внимания уделялось обратимым процессам и равновесным состояниям, так что более подходящим для нее казалось название "термостатика", но благодаря С.Аррениусу (1859-1927) и Г. Эйрингу (1901-1981) получило весьма основательную разработку ее применение к анализу скоростей химических реакций (химической кинетике). В настоящее время главной проблемой в термодинамике является ее применение к необратимым процессам, и уже достигнуты большие успехи в построении теории, по широте охвата сравнимой с термодинамикой обратимых процессов.1. Карпенков С.Х. Основные концепции естествознания.- М.: Культура и спорт, ЮНИТИ, 2002

2. Савченко В.Н. Концепции современного естествознания. Учебное пособие. - Владивосток: изд-во ДВГАЭУ, 2001

3. Салопов Е.Ф. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие для студ. высш. учеб, заведений. - М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 2004