Основные законы природы

Содержание

Введение

1. Корпускулярная концепция описания природы

2. Молекулярно-кинетическая теория газа

3. Основные газовые законы для идеальных газов

Заключение

Список литературы

Введение

Еще 200 лет назад законы природы представлялись как разрозненные правила, выведенные из опыта и почти не связанные между собой. Многие физики пытались превратить открытые законы, теории, правила, эффекты и явления в строгую науку, но сделать это было не легко. Одни считали, что все явления следует объяснять, опираясь на механику, и что все в природе состоит из мельчайших частиц: атомов, монад, корпускул. Другие настаивали на том, что первичным в природе являются жидкости и что Вселенная заполнена всепроникающей субстанцией - эфиром. Тепло также считали одной из жидкостей, и теория теплорода была весьма популярной основой учения о тепле. Истина рождалась в трудной борьбе идей и мнений.

История о том, как человек обнаруживает законы природы, как создается величественное здание современного естествознания, - история поучительная и интересная.

Во Вселенной течением всех тепловых процессов управляет энтропия, которая возрастает с возрастанием Времени, и величина температуры, как и все другие величины, изменяется со временем и координатами.

Как и все науки, физика пребывает в состоянии непрерывного развития. Постоянно обнаруживаются новые эффекты, открываются связи между разными явлениями природы, формулируются законы.

Самое удивительное в нашем мире - это то, что он познаваем. Но понять его можно только изучив истоки физической науки. Это, может быть, важнее, чем досконально изучить сегодняшние идеи, которые в конце концов могут и сами измениться.

Цель данной работы рассмотреть корпускулярную концепцию описания природы. Задачи данной работы рассмотреть:

1. Корпускулярная концепция описания природы;

2. Молекулярно-кинетическая теория газа;

3. Основные газовые законы для идеальных газов.

1. Корпускулярная концепция описания природы

В физике различают понятия микромир и макромир - соответственно как область физических исследований микрочастиц и привычных нам объектов природы, с которыми обычно сталкивается человек.

Представления о строении материи находят свое выражение в борьбе 2 концепций:

прерывности или дискретности - корпускулярная концепция (неизменность атомов; все явления природы - результат движения частиц образованных из единой материи, все на Земле состоит из корпускул - мини частиц, т.е. прерывность и дискретность материи).

непрерывности - континуальная концепция (существует 2 вида материи: вещество и поле, различия между которыми фиксируется на уровне явлений микромира, материя состоит из непрерывных волн, т.е. постоянство материи).

Эти две противоположные концепции описания природы пришли к компромиссу в теории корпускулярно-волнового дуализма (свет обладает и свойствами непрерывных электромагнитных волн и свойствами дискретных фотонов).

Частицы неотделимы от создаваемых ими полей и каждое поле вносит свой вклад в структуру частиц, обуславливая их свойства; единство корпускулярных и волновых свойств всех частиц и фотонов. В этом проявляется единство прерывности и непрерывности в структуре материи. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания. М.: Культура и спорт, 2003.-367с.

2. Молекулярно-кинетическая теория газа

Макромир описывают 3 концепции:

Механическое движение системы описывается классической механикой Ньютона.

Внутреннее строение системы и её свойства описывает МКТ.

Процессы превращения энергии в системе описываются классической термодинамикой.

Основные положения молекулярно-кинетической концепции.

Атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом тепловом движении. Интенсивность движения зависит от температуры, поэтому температура - хаотичности системы.

Между частицами существуют силы взаимодействия - притяжения и отталкивания. Природа этих сил - электромагнетизм.

В отличие от механического движения, нагревание и охлаждение систем может привести к изменению их физических свойств (фазовые переходы - жидкость, газ, твердое тело и т.п.). Фаза - это часть системы, имеющая границу и сохраняющаяся внутри основного физического свойства системы (Давлении, температуре, объеме).

Все эти положения экспериментально доказаны. Подтверждаются явлениями диффузии, броуновского движения и т.д. Количественное подтверждение этой концепции - газовые законы для идеальных газов. Липсон Г. Великие эксперименты в физике. - М.: Мир, 2000.-321с.

Идеальный газ

Расстояние между молекулами во много раз превышает размеры самих молекул, причем, размеры молекул применяются за материальную точку.

Между молекулами нет сил межмолекулярного взаимодействия.

Идеального газа не существует, но можно приблизиться к идеальному газу - при низком давлении и высокой температуре молекулы движутся, практически не задевая друг друга. Вещество звезд, находящихся на главной последовательности диаграммы Герцшпрунга-Рессела, на определенной глубине находится в состоянии, очень близком к идеальному газу, несмотря на высокую плотность. Кудрявцев П.С. Курс истории физики. Учебн. пособие. - М.: Просвещение, 2001.-358с.

Основное уравнение молекулярно-кинетической теории для идеального газа:

k - постоянная Больцмана.

Этот закон записан для одного моля газа.

- для n-ного количества молей. Если газ одноатомный.

Данный атом имеет три степени свободы (3 координаты, так как вращение вокруг собственной оси не учитывается. i=3

Если газ двухатомный, то i=5 (поступательное).

Если газ многоатомный, но молекула линейная, то степеней свободы будет 5, если многоатомный, но нелинейный, то 6. Все степени свободны являются равноправными и вносят одинаковый вклад в среднюю кинетическую энергию.

3. Основные газовые законы для идеальных газов

В XVII веке был сформулирован закон Бойля-Мариотта, выражающий зависимость давления(P) от объема (V) при постоянной температуре (Т). (Изотермический).

PV=const

XVIII век, Шарль, закон для изохорного процесса, V=const.

XIX век, Гей-Люссак, изобарный процесс, P=const.

На практике же чаще всего все три параметра меняются одновременно.

Клапейрон вывел следующий закон:

Менделеев показал, что константой в данном случае будет универсальная газовая постоянная R=8,31

Обобщение из этого для одного моля газа приводит к уравнению:

PV=RT

PV=nRT

- закон, известный как уравнение Менделеева-Клапейрона.

Физический смысл универсальной газовой постоянной: R равна работе, которую совершает один моль газа при нагревании на 1 К при постоянном давлении.

Для реального газа действует уравнение Вандер-Ваальса (XIX век).

- учитывает силы взаимодействия между молекулами реальных газов, что приводит к усилению давления - к внешнему давлению газа присоединяется внутреннее давление между молекулами.

b - учитывает собственный объём молекул.

a и b можно определить только экспериментально.

Межмолекулярное взаимодействие электрически нейтральных молекул любого агрегатного состояния. Кибец И. Н., Кибец В.И. Физика. Справочник. - Харьков: Фолио ; Ростов н/Д : Феникс, 2003.-269с.

Точно так же выглядит график зависимости потенциальной энергии взаимодействия от расстояния между молекулами.

При приближении молекулы действуют две силы - притяжения и отталкивания.

Если Eкин движ>>Епотенц взаимод, то это газообразное состояние вещества.

Если Eкин движ<<Епотенц взаимод, то это твердое состояние вещества.

Если Eкин движ?Епотенц взаимод, то это жидкое состояние вещества.

Существуют четыре агрегатных состояния вещества. При переходы из одного состояния в другое могут наблюдаться фазовые переходы двух видов.

Фазовые переходы первого (I) рода - когда в узком интервале температур скачком изменяется давление, плотность или объем.

Фазовый переход второго (II) рода - это изменение порядка расположения атомов и молекул в кристаллических решетках. При таком переходе резко изменяется плотность. Например, превращение белого олова в серое при -14°С, и кристаллическая решетка из тетраэдров становится кубами.

Четвертое состояние вещества - плазма.

Плазма - это ионизированный квазинейтральный газ, занимающий настолько большой объем, что в нем не происходит сколько-нибудь заметного нарушения нейтральности

Атом делится на электроны и положительные ионы. В зависимости от степени Ионизации газа различают:

Слабо ионизированную (низкотемпературную) плазму, б составляет доли процента, температура 1000-2000°С.

Умеренно ионизированную, б составляет несколько процентов, температура 5000-7000°С.

Сильно ионизированную (высокотемпературную), б=100%, температура 10000°С и выше.

Ионосфера представляет собой слабо ионизированную плазму. От нее отражаются радиоволны. В космическом пространстве плазма - это наиболее распространенное состояние вещества (все звезды, в которых идут термоядерные реакции, а таких большинство). В лабораторных условиях плазма образуется в различных формах газовых разрядов. Тэйлор Э., Уилер Дж. Физика пространства-времени. М.: Мир, 2001.-354с.

Основное применение молекулярно-кинетической теории:

Для разработки криогенной и вакуумной техники.

В космонавтике.

Исследование сверхпроводимости металлов.

Исследование нейтронных полей в ускорителях и ядерных реакторах (термоядерный синтез). Кудрявцев П.С. Курс истории физики. Учебн. пособие. - М.: Просвещение, 2001.-333с.

Заключение

К началу XX века были определены размеры, массы и скорости движения молекул, выяснено расположение атомов в молекулах, т. е. была окончательно разработана молекулярно-кинетическая теория строения веществ. Первым основным положением молекулярно-кинетической теории является утверждение, что все вещества состоят из молекул. Молекулой называется минимальная частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Каждое физическое тело состоит из огромного числа молекул.

Вторым основным положением молекулярно-кинетической теории является утверждение, что молекулы находятся в непрерывном движении. Третье положение молекулярно-кинетической теории состоит в том, что между молекулами существуют силы взаимодействия - силы притяжения и силы отталкивания.

По современным воззрениям квантовый объект - это не частица и не волна, и даже ни то и другое одновременно. Квантовый объект - это нечто третье, для выражения которого у нас нет соответствующих понятий, соответствующего языка. Мы вынуждены говорить на классическом языке. Но для возможно более полного представления о микрообъекте мы должны использовать два типа микроприборов: один - позволяющий изучать волновые свойства микрообъекта, другой - его корпускулярные свойства. Эти свойства являются несовместимыми в отношении их одновременного проявления, но они оба в равной мере характеризуют микрообъект, а потому не противоречат, а дополняют друг друга. Эта идея была высказана Х.Д. Бором и положена им в основу принципа дополнительности. Принцип дополнительности как общий принцип познания может быть сформулирован следующим образом: всякое истинно глубокое явление природы не может быть определено однозначно и требует для своего определения, по крайней мере, двух взаимоисключающих, дополнительных понятий. Например, иллюстрацией принципа дополнительности в какой-то мере может служить совместное существование науки искусства как двух различных способов изучения окружающего мира.

Список литературы

Кибец И. Н., Кибец В.И. Физика. Справочник. - Харьков: Фолио ; Ростов н/Д : Феникс, 2003.-566с.

Кудрявцев П.С. Курс истории физики. Учебн. пособие. - М.: Просвещение, 2001.-623с.

Липсон Г. Великие эксперименты в физике. - М.: Мир, 2000.-437с.

Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания. М.: Культура и спорт, 2003.-722с.

Тэйлор Э., Уилер Дж. Физика пространства-времени. М.: Мир, 2001.-698с.