Уравнение состояния идеального газа, записанное Бенуа Клапейроном (1799-1864) для 1 моля газа, имеет простой вид V=RT

Средняя кинетическая энергия хаотического поступательного движения молекул газа прямо пропорциональна абсолютной температуре. Чем выше температура, тем быстрее движутся молекулы, т.е. больше их кинетическая энергия.

Если тепло поступает в тело, температура возрастает, но не всегда. Может быть тепло преобразуется в работу? Например, тепло поступает в цилиндр, наполненный паром, газ расширяется и толкает поршень. Можно подобрать условия так, чтобы все поступающее тепло было использовано для получения работы, а газ остался при той же температуре, хотя его давление понизится. Если пар был под достаточно высоким давлением, он может и без добавки тепла выполнить работу, толкая поршень. Потеря внутренней энергии выразится в том, что упадет температура.

Другой случай, когда подведенная тепловая энергия не вызывает повышения температуры, это изменение состава вещества. Для превращения 1 г льда в 1 г воды необходимо 80 кал. Если это количества тепла подвести к системе, то ее температура не изменится. Если подвести еще 100 кал, то вода закипит. Если добавить еще 540 кал, то температура воды опять не будет меняться при кипении, но вода превратится в пар. Таким образом, тепловая энергия может поступать в вещество и превращаться непосредственно в работу или может накопиться в веществе и, не меняя его температуры, изменить его состояние Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. М.: ИВЦ «Маркетинг», 2000. С. 191-192..

6. Дайте понятие об обратимых и необратимых процессах. Приведите примеры. Как строится термодинамика открытых систем? Дайте представление о прямой и обратной связи в сложной системе

Открытые системы, в которых наблюдается прирост энтропии, получили название диссипативных. В таких системах энергия упорядоченного движения переходит в энергию неупорядоченного хаотического движения, т.е. в тепло. Если замкнутую систему вывести из состояния равновесия, то в ней начнутся процессы, возвращающие ее к состоянию термодинамического равновесия, в котором ее энтропия достигает максимального значения. Со временем степень неравновесности будет уменьшаться, однако, в любой момент времени ситуация будет неравновесной. В случае открытых систем отток энтропии наружу может уравновесить ее рост в самой системе. В этих условиях может возникнуть и поддерживаться стационарное состояние. Такое состояние Берталанфи назвал текущим равновесием. По своим характеристикам текущее равновесие может быть близко к равновесным состояниям. В этом случае производство энтропии минимально (теорема Пригожина). Если же отток энтропии превышает ее внутреннее производство, то возникают и разрастаются до макроскопического уровня крупномасштабные флуктуации Хорошавина С. Г. Концепции современного естествознания. Курс лекций. (Серия «Учебники, учебные пособия»), Ростов Н / Д. «Феникс», 2002. С.113-115..

7. Как возникает металлическая связь? Дайте представление о теории металлов (классической и квантовой), полупроводниках, диэлектриках и изоляторах.

Возникновение металлической связи. Валентные электроны металлов достаточно слабо связаны со своими ядрами и могут легко отрываться от них. Поэтому металл содержит ряд положительных ионов, расположенных в определенных положениях кристаллической решетки, и большое количество электронов, свободно перемещающихся по всему кристаллу. Электроны в металле осуществляют связь между всеми атомами металла.

Полупроводники отличаются от других классов твердых тел многими специфическими особенностями, главнейшими из которых являются:

1) положительный температурный коэффициент электропроводности, то есть с повышением температуры электропроводность полупроводников растет;

2) удельная проводимость полупроводников меньше, чем у металлов, но больше, чем у изоляторов;

3) большие значения термоэлектродвижущей силы по сравнению с металлами;

4) высокая чувствительность свойств полупроводников к ионизирующим излучениям;

5) способность резкого изменения физических свойств под влиянием ничтожно малых концентраций примесей;

6) эффект выпрямления тока или неомическое поведение на контактах.

Среди простых веществ полупроводниками являются бор, кремний, германий, серое олово, некоторые модификации фосфора, мышьяка и сурьмы, а также селен, теллур и йод. Совсем недавно открыта новая модификация углерода - фуллерит, который является полупроводником в отличие от алмаза и графита. Помимо них известны многочисленные полупроводниковые соединения: оксиды, сульфиды, селениды, теллуриды, арсениды, антимониды, интерметаллические полупроводники, тройные и более сложные полупроводниковые соединения.

Неорганические полупроводниковые вещества, как правило, обладают координационной структурой, то есть в их пространственных решетках отсутствуют молекулы. Другими словами, они обладают немолекулярной структурой. Поэтому макроскопическое тело полупроводника состоит либо из большого числа одинаковых атомов (простое вещество), либо также из большого числа (порядка числа Авогадро) различных атомов (соединение).

Огромную роль играют поверхностные свойства полупроводников. Нередко поверхностные энергетические уровни и зависящие от них свойства преобладают над объемными характеристиками полупроводников. Поэтому, чтобы улучшить электрофизические характеристики полупроводниковых приборов, в полупроводниковом приборостроении особое внимание обращают на травление поверхности, влияние адсорбированных газов, присутствие посторонних взвешенных частиц и т.п.

Диэлектрики - тела, плохо проводящие ток. В диэлектриках в отличие от проводников практически нет свободных зарядов, способных перемещаться на значительные расстояния по всему объему тела.

Диэлектрики состоят либо из нейтральных молекул (к такому типу диэлектриков относят все газовые диэлектрики, жидкие диэлектрики, а также часть твердых), либо из заряженных ионов, размещенных в узлах кристаллической решетки в определенных положениях равновесия. Ионные решетки могут быть разбиты на элементарные ячейки, каждая из которых содержит равное количество положительных и отрицательных зарядов и в целом нейтральна. Таким образом, в целом можно определить диэлектрик как вещество, построенное из нейтральных молекул, причем в случае ионной решетки под нейтральной молекулой следует понимать элементарную ячейку.

Под воздействием внешнего электрического поля заряды, входящие в состав диэлектрика не срываются полем со своих мест, образуя электрический ток, а лишь смещаются на незначительные расстояния в некоторые новые равновесные положения.

Электрические изоляторы - устройства из фарфора, пластических масс и других диэлектриков для изоляции и механического крепления электрических проводов и кабелей (подвесные, опорные изоляторы), для ввода проводов в здание (проходные изоляторы), а также для изоляции частей электрической установки, находящихся под разным напряжением (установочные изоляторы).

8. Поясните, как распределяется на земле солнечная энергия. Дайте понятие о негэнтропии солнечного излучения

Тепловое излучение - наиболее распространенный в природе вид электромагнитного излучения. Оно совершается за счет энергии хаотического движения молекул в веществе, поэтому излучение и понижает температуру тела. Наряду с излучением происходит и поглощение теплоты, в результате температура тела поддерживается постоянной, в этом случае говорят, что тело находится в тепловом равновесии Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. М.: ИВЦ «Маркетинг», 2000. С. 298..

Жизнь на нашей планете возникла, существует и развивается за счет негэнтропии (противоположное энергии) солнечного излучения. Рост негэнтропии в биосфере оплачен ростом энтропии в космическом пространстве, и за счет этого достигается локальное уменьшение энтропии в актуальной для человека области Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. М.: ИВЦ «Маркетинг», 2000. С. 783..

9. Поясните смысл гипотезы планка о дискретном характере испускания света? Насколько были решены при этом противоречия в теории теплового излучения?

Макс Планк в 1900 г. высказал предположение (гипотезу) о том, что свет должен излучаться порциями (квантами). Энергии порции прямо пропорциональна частоте световой волны E=hn, где h - постоянная Планка, n - частота света.

Энергия порции (кванта) очень мала, например для видимого излучения она примерно равна 10^-19Дж. Поэтому для измерения таких энергий удобно использовать другую единицу энергии, которая называется электрон-вольт (1эВ). 1эВ - энергия, которую приобретает электрон прошедший ускоряющую разность потенциалов в 1В. 1эВ=1,6*10^-19Дж.

Постоянная Планка - фундаментальная константа, которая характеризует микромир, h=6,62*10^-34Дж*с. При этом Планк считал, что свет только рождается недилимыми порциями, а «живет» (распространяется), как обычная электромагнитная волна.

При построении своей теории равновесного теплового излучения Планк исходил из предположения, что вещество представляет собой совокупность электронных осцилляторов, при посредстве которых и происходит обмен энергией между материей и излучением. Такой осциллятор представляет собой материальную точку, удерживаемую около своего положения равновесия силой. Величина этой силы возрастает пропорционально отклонению от положения равновесия, и осциллятор является механической системой, характеризуемой одним своеобразным свойством. Это свойство заключается в том, что частота колебаний осциллятора не зависит от величины его амплитуды.

Следуя Планку, определим квант энергии осциллятора как величину, равную произведению частоты этого осциллятора на постоянную h, и предположим, что при взаимодействии осциллятора с излучением он может терять или приобретать энергию только скачком, причем величина этого скачка равна соответствующему кванту энергии. Но в таком виде гипотеза квантования энергии оказывается применимой только в случае гармонических осцилляторов. Действительно, в общем случае системы, частота колебаний которой не постоянна, а зависит от амплитуды колебаний, введенное определение кванта энергии становится неоднозначным. Поскольку постоянная имеет размерность действия, т.е. размерность произведения энергии на время или количества движения на путь, то ее можно рассматривать как элементарное количество действия, своего рода единицу действия в атомном мире. Рассмотрим теперь механическую систему, совершающую периодическое движение и характеризуемую только одной переменной, скажем, систему, состоящую из одной частицы, совершающей периодическое движение вдоль некоторой, прямой. Для такой системы можно вычислить интеграл действия по Мопертюи, который совпадает с интегралом действия, фигурирующим в принципе наименьшего действия, взятым по полному периоду движения.

Эта величина является определенной характеристикой периодического движения. Требуя, чтобы она равнялась произведению целого числа на постоянную Планка, получаем новую формулировку принципа квантования, применимую к любому одномерному периодическому движению. Легко убедиться, что в частном случае гармонического осциллятора этот новый принцип полностью эквивалентен прежнему принципу квантования энергии. Чтобы придать принципу квантования более общую форму, Планку пришлось отказаться от первоначальной гипотезы квантования энергии и заменить ее гипотезой о квантовании действия.

То, что в общей формулировке принципа квантования фигурирует именно действие, было одновременно и естественным, и несколько странным. Естественным потому, что эта величина играет существенную роль во всей аналитической механике согласно принципу Гамильтона и принципу наименьшего действия. Это в свою очередь привело к тому, что весь аппарат аналитической механики как бы уже был готов воспринять новый принцип квантования. Странным квантование именно действия казалось потому, что с чисто физической точки зрения трудно было понять, как такая величина, как действие, носящая довольно абстрактный характер и не удовлетворяющая непосредственно никаким законам сохранения, может представлять собой характеристику дискретности процессов атомного мира.

Действие всегда выражается в виде произведения некоторых величин, имеющих геометрическую природу, на соответствующие величины, имеющие динамическую природу. Пары этих величин образуют в аналитической механике канонически сопряженные переменные. Так, интеграл, фигурирующий в принципе наименьшего действия Мопертюи, есть криволинейный интеграл от количества движения вдоль траектории. И своего рода дискретность действия, выражаемая введением постоянной Планка, указывает на наличие определенной взаимосвязи между пространством и временем, с одной стороны, и динамическими явлениями, которые мы пытаемся локализовать в этом пространстве и времени, с другой. Эта взаимосвязь носит совершенно новый характер, абсолютно чуждый концепциям классической физики. И в этом заключается глубокое и революционное значение идей, положенных Планком в основу теории равновесного излучения черного тела.

Планк исходил из предположения, что вещество может испускать излучение не непрерывно, а только отдельными конечными порциями. Это, однако, не влечет за собой однозначного предположения о дискретности структуры излучения. Можно построить две различные теории, покоящиеся на двух противоположных предположениях относительно характера поглощения излучения веществом. В основе первой, пожалуй, более последовательной и завоевавшей впоследствии всеобщее признание, лежит предположение о том, что элементы вещества, например электронные осцилляторы, могут находиться только в таких состояниях движения, которые соответствуют квантованным значениям энергии. Отсюда непосредственно следует, что как испускание, так и поглощение излучения может происходить только дискретно отдельными порциями, или квантами. Это в свою очередь необходимо влечет за собой утверждение о дискретности структуры излучения.

Смущенный этим непонятным следствием своих собственных идей, Планк долгое время пытался развивать другую, менее радикальную форму квантовой теории, в которой только испускание излучения носило дискретный характер, а поглощение оставалось непрерывным. Считалось, что вещество может непрерывно поглощать падающее на него излучение, но испускать его оно может лишь дискретно, отдельными квантами. Легко понять цель, которую Планк преследовал. Он старался защитить и сохранить прежнее представление о непрерывной природе излучения, поскольку казалось, что только в этом случае квантовая теория не будет противоречить волновой теории, нашедшей неоднократные подтверждения в многочисленных и весьма точных экспериментах.

Однако, несмотря на всю изобретательность, вложенную Планком в развитие этой формы квантовой теории, она была опровергнута дальнейшим ходом физики и, в частности, эйнштейновым объяснением фотоэффекта и успехом теории атома Бора Хорошавина С. Г. Концепции современного естествознания. Курс лекций. (Серия «Учебники, учебные пособия»), Ростов Н / Д. «Феникс», 2002. С. 152. .

10. Каково состояние солнца и его атмосферы? Каковы проявления и закономерности солнечной активности? В каком состоянии находится солнечное вещество? Каков состав солнечного излучения? Что такое солнечный ветер? Как он проявляется на земле?

По современным представлениям, Солнце состоит из ряда концентрических сфер, или областей, каждая из которых обладает специфическими особенностями. Схематический разрез Солнца показывает его внешние особенности вместе с гипотетическим внутренним строением. Энергия, освобождаемая термоядерными реакциями в ядре Солнца, постепенно прокладывает путь к видимой поверхности светила. Она переносится посредством процессов, в ходе которых атомы поглощают, переизлучают и рассеивают излучение, т.е. лучевым способом. Пройдя около 80% пути от ядра к поверхности, газ становится неустойчивым, и дальше энергия переносится уже конвекцией к видимой поверхности Солнца и в его атмосферу.

Внутреннее строение Солнца слоистое, или оболочечное, оно состоит из ряда сфер, или областей. В центре находится ядро, затем область лучевого переноса энергии, далее конвективная зона и, наконец, атмосфера. К ней ряд исследователей относят три внешние области: фотосферу, хромосферу и корону. Правда, другие астрономы к солнечной атмосфере относят только хромосферу и корону. Остановимся кратко на особенностях названных сфер.

Ядро - центральная часть Солнца со сверхвысоким давлением и температурой, обеспечивающими течение ядерных реакций. Они выделяют огромное количество электромагнитной энергии в предельно коротких диапазонах волн.

Область лучистого переноса энергии - находится над ядром. Она образована практически неподвижным и невидимым сверхвысокотемпературным газом. Передача через нее энергии, генерируемой в ядре, к внешним сферам Солнца осуществляется лучевым способом, без перемещения газа. Этот процесс надо представлять себе примерно так. Из ядра в область лучевого переноса энергия поступает в предельно коротковолновых диапазонах - гамма излучения, а уходит в более длинноволновом рентгеновском, что связано с понижением температуры газа к периферической зоне.

Конвективная область - располагается над предыдущей. Она образована также невидимым раскаленным газом, находящимся в состоянии конвективного перемешивания. Перемешивание обусловлено положением области между двумя средами, резко различающимися по господствующим в них давлению и температуре. Перенос тепла из солнечных недр к поверхности происходит в результате локальных поднятий сильно нагретых масс воздуха, находящихся под высоким давлением, к периферии светила, где температура газа меньше и где начинается световой диапазон излучения Солнца. Толщина конвективной области оценивается приблизительно в 1/10 часть солнечного радиуса.

Фотосфера - это нижний из трех слоев атмосферы Солнца, расположенный непосредственно на плотной массе невидимого газа конвективной области. Фотосфера образована раскаленным ионизированным газом, температура которого у основания близка к 10000 К (т. е. абсолютная температура), а у верхней границы, расположенной примерно в 300 км выше, порядка 5000 К. Средняя температура фотосферы принимается в 5700 К. При такой температуре раскаленный газ излучает электромагнитную энергию преимущественно в оптическом диапазоне волн. Именно этот нижний слой атмосферы, видимый как желтовато-яркий диск, зрительно воспринимается нами как Солнце.

Солнце вращается не как твёрдое небесное тело вроде Земли. В отличие от Земли различные части Солнца вращаются с разными скоростями. Быстрее всего крутится экватор, делая один оборот за 25 дней. При удалении от экватора скорость вращения снижается, и в полярных областях один оборот занимает уже 35 дней. Различные скорости вращения возможны только потому, что Солнце - это газовый шар. Одно из следствий состоит в закручивании магнитного поля Солнца, что увеличивает солнечную активность.
Пятна на Солнце - это лишь один пример солнечной активности. «Погодные явления» в солнечной атмосфере совершенно отличны от земных. Магнитные бури и взрывы, называемые вспышками, внезапно вздымаются над поверхностью Солнца. В некотором отношении они напоминают электрическую энергию. Однако на Солнце энергия гигантских электрических разрядов намного превосходит энергию земных молний. Солнечные бури оказывают влияние на Землю, поэтому астрономы держат Солнце под постоянным наблюдением. Солнечные вспышки взметают электрически заряженные частицы в космос, что удивительным образом воздействует на нашу атмосферу.

Состав солнечного излучения. Средняя плотность солнечного вещества - 1.41 г/куб.см, что составляет 0.256 средней плотности Земли (солнечное вещество содержит по массе свыше 70% водорода, свыше 20% гелия и ок. 2% др. элементов).

Прошло почти 40 лет с тех пор, как американский физик Е. Паркер теоретически предсказал явление, которое получило название «солнечный ветер» и которое через пару лет было подтверждено экспериментально группой советского ученого К. Грингауза при помощи приборов, установленных на космических аппаратах «Луна-2» и «Луна-3». Солнечный ветер представляет собой поток полностью ионизованной водородной плазмы, то есть газа, состоящего из электронов и протонов примерно одинаковой плотности (условие квазинейтральности), который с большой сверхзвуковой скоростью движется от Солнца. Как проявляется солнечный ветер на Земле? На орбите Земли (на одной астрономической единице от Солнца) скорость VE этого потока равна примерно 400-500 км/с, концентрация протонов (или электронов) ne = 10-20 частиц в кубическом сантиметре, а их температура Te равна примерно 100000 К (температура электронов несколько выше). Кроме электронов и протонов в межпланетном пространстве были обнаружены альфа-частицы (порядка нескольких процентов), небольшое количество более тяжелых частиц, а также магнитное поле, средняя величина индукции которого оказалась на орбите Земли порядка нескольких гамм.

1. Волькенштейн М.В. Энтропия и информация. М.: Наука, 1986.

2. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА», 2001.

3. Дубнищева Т.Я., Пигарев А.Ю. Современное естествознание. Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА», 2004.

4. Рубин А.Б. Термодинамика биологических процессов. М.: Изд-во МГУ, 1984.

5. Хорошавина С. Г. Концепции современного естествознания. Курс лекций. (Серия «Учебники, учебные пособия»), Ростов Н / Д. «Феникс», 2002.