Вік Сонця Зірок Всесвіту Відмінності наукової картини світу від класичної Розподіл сонячної

, полученное системой, идет на приращение ее внутренней энергии ( U 2- U 1) и на производство внешней работы». Сенс першого початку термодинаміки можна сформулювати наступним чином: «Кількість тепла Q, отримане системою, йде на прирощення її внутрішньої енергії (U 2 - U 1) і на виробництво зовнішньої роботи».

5. Наведіть рівняння стану ідеального газу. ЯКА ВЕЛИЧИНА є мірою середньої кінетичної енергії молекул

= RT Рівняння стану ідеального газу, записане Бенуа Клапейроном (1799-1864) для 1 моля газу, має простий вигляд V = RT

Середня кінетична енергія хаотичного поступального руху молекул газу прямо пропорційна абсолютній температурі. Чим вище температура, тим швидше рухаються молекули, тобто більше їх кінетична енергія.

Якщо тепло поступає в тіло, температура зростає, але не завжди. Може бути тепло перетворюється в роботу? Наприклад, тепло надходить в циліндр, наповнений парою, газ розширюється і штовхає поршень. Можна підібрати умови так, щоб всі надходить тепло було використано для отримання роботи, а газ залишився при тій же температурі, хоча його тиск знизиться. Якщо пар був під досить високим тиском, він може і без добавки тепла виконати роботу, штовхаючи поршень. Втрата внутрішньої енергії виразиться в тому, що впаде температура.

Інший випадок, коли підведена теплова енергія не викликає підвищення температури, це зміна складу речовини. Для перетворення 1 г льоду в 1 г води необхідно 80 кал. Якщо це кількості тепла підвести до системи, то її температура не зміниться. Якщо підвести ще 100 кал, то вода закипить. Якщо додати ще 540 кал, то температура води знову не буде змінюватися при кипінні, але вода перетвориться в пару. Таким чином, теплова енергія може надходити в речовину і перетворюватися безпосередньо в роботу або може накопичитися в речовині і, не змінюючи його температури, змінити його стан ^4.

6. ДАЙТЕ ПОНЯТТЯ ПРО Зворотні і незворотні ПРОЦЕСАХ. Наведемо приклад. ЯК БУДУЄТЬСЯ ТЕРМОДИНАМІКА ВІДКРИТИХ СИСТЕМ? ДАЙТЕ ПОДАННЯ ПРО прямі і зворотні зв'язки У СКЛАДНОЇ СИСТЕМІ

Термодинаміка відкритих систем вивчає істотно нерівноважні процеси. У їх описі ключову роль відіграє поняття зростання ентропії системи за рахунок процесів, які відбуваються всередині неї. Такий підхід привів до нового погляду на звичні поняття. Видатна роль у розвитку даного наукового напряму належить І.Р. Пригожина, удостоєному за свої роботи Нобелівської премії в 1977 році. Великий внесок зробили також Л. Берталанфі, Л. Онзагера, Л.І. Мандельштам, М.А. Леонтович, М. Ейген, Г. Хакен.

Відкриті системи, в яких спостерігається приріст ентропії, отримали назву дисипативних. У таких системах енергія упорядкованого руху переходить в енергію неупорядкованого хаотичного руху, тобто в тепло. Якщо замкнуту систему вивести зі стану рівноваги, то в ній почнуться процеси, які повертають її до стану термодинамічної рівноваги, в якому її ентропія досягає максимального значення. З часом ступінь нерівноважності буде зменшуватися, однак, в будь-який момент часу ситуація буде нерівноважної. У разі відкритих систем відтік ентропії назовні може врівноважити її зростання в самій системі. У цих умовах може виникнути і підтримуватися стаціонарний стан. Такий стан Берталанфі назвав поточним рівновагою. За своїми характеристиками поточне рівновага може бути близько до рівноважним станам. У цьому випадку виробництво ентропії мінімально (теорема Пригожина). Якщо ж відтік ентропії перевищує її внутрішнє виробництво, то виникають і розростаються до макроскопічного рівня великомасштабні флуктуації.

7. ЯК ВИНИКАЄ МЕТАЛЕВІ ЗВ'ЯЗОК? ДАЙТЕ ПОДАННЯ ПРО ТЕОРІЇ МЕТАЛІВ (Класична та квантова), напівпровідників, діелектриків й ізолятори

Виникнення металевого зв'язку. Валентні електрони металів досить слабко пов'язані зі своїми ядрами і можуть легко відриватися від них. Тому метал містить ряд позитивних іонів, розташованих у певних положеннях кристалічної решітки, і велика кількість електронів, що вільно переміщаються по всьому кристалу. Електрони в металі здійснюють зв'язок між всіма атомами металу.

Напівпровідники відрізняються від інших класів твердих тіл багатьма специфічними особливостями, найголовнішими з яких є:

1) позитивний температурний коефіцієнт електропровідності, тобто з підвищенням температури електропровідність напівпровідників зростає;

2) питома провідність напівпровідників менше, ніж у металів, але більше, ніж у ізоляторів;

3) великі значення термоелектрорушійної сили в порівнянні з металами;

4) висока чутливість властивостей напівпровідників до іонізуючим випромінюванням;

5) здатність різкої зміни фізичних властивостей під впливом мізерно малих концентрацій домішок;

6) ефект випрямлення струму або неоміческое поведінка на контактах.

Серед простих речовин напівпровідниками є бор, кремній, германій, сіре олово, деякі модифікації фосфору, миш'яку і сурми, а також селен, телур і йод. Зовсім недавно відкрита нова модифікація вуглецю - фулерит, який є напівпровідником на відміну від алмазу і графіту. Крім них відомі численні напівпровідникові з'єднання: оксиди, сульфіди, селеніди, теллуріди, арсеніди, антимоніду, интерметаллические напівпровідники, потрійні і більш складні напівпровідникові з'єднання.

Неорганічні напівпровідникові речовини, як правило, володіють координаційної структурою, тобто в їх просторових гратах відсутні молекули. Іншими словами, вони мають немолекулярной структурою. Тому макроскопічне тіло напівпровідника складається або з великого числа однакових атомів (проста речовина), або також з великого числа (порядку числа Авогадро) різних атомів (з'єднання).

Величезну роль відіграють поверхневі властивості напівпровідників. Нерідко поверхневі енергетичні рівні і залежні від них властивості переважають над об'ємними характеристиками напівпровідників. Тому, щоб поліпшити електрофізичні характеристики напівпровідникових приладів, у напівпровідниковому приладобудуванні особливу увагу звертають на травлення поверхні, вплив адсорбованих газів, присутність сторонніх зважених часток і т.п.

Діелектрики - тіла, погано проводять струм. У діелектриках на відміну від провідників практично немає вільних зарядів, здатних переміщатися на значні відстані по всьому об'єму тіла.

Діелектрики складаються або з нейтральних молекул (до такого типу діелектриків відносять всі газові діелектрики, рідкі діелектрики, а також частина твердих), або з заряджених іонів, розміщених у вузлах кристалічної решітки в певних положеннях рівноваги. Іонні грати можуть бути розбиті на елементарні комірки, кожна з яких містить рівну кількість позитивних і негативних зарядів і в цілому нейтральна. Таким чином, в цілому можна визначити діелектрик як речовина, побудоване з нейтральних молекул, причому у випадку іонної грати під нейтральною молекулою слід розуміти елементарну комірку.

Під впливом зовнішнього електричного поля заряди, що входять до складу діелектрика не зриваються полем зі своїх місць, утворюючи електричний струм, а лише зміщуються на незначні відстані до деяких нові рівноважні положення.

Електричні ізолятори - пристрої з порцеляни, пластичних мас і інших діелектриків для ізоляції та механічного кріплення електричних проводів і кабелів (підвісні, опорні ізолятори), для введення проводів в будинок (прохідні ізолятори), а також для ізоляції частин електричної установки, що знаходяться під різною напругою (настановні ізолятори).

8. Пояснити, як розподілялися НА ЗЕМЛІ СОНЯЧНА ЕНЕРГІЯ. ДАЙТЕ ПОНЯТТЯ Про негентропії СОНЯЧНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ

Теплове випромінювання - найбільш поширений в природі вид електромагнітного випромінювання. Воно відбувається за рахунок енергії хаотичного руху молекул в речовині, тому випромінювання і знижує температуру тіла. Поряд з випромінюванням відбувається і поглинання теплоти, в результаті температура тіла підтримується постійною, в цьому випадку говорять, що тіло знаходиться в тепловій рівновазі ^5.

Життя на нашій планеті виникло, існує і розвивається за рахунок негентропії (протилежне енергії) сонячного випромінювання. Зростання негентропії в біосфері оплачений зростанням ентропії в космічному просторі, і за рахунок цього досягається локальне зменшення ентропії в актуальній для людини області ^6.

9. Поясніть сенс гіпотези Планка Про Дискретний характер випускання світла? НАСКІЛЬКИ БУЛИ ВИРІШЕНІ ПРИ ЦЬОМУ ПРОТИРІЧЧЯ В ТЕОРІЇ ТЕПЛОВОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ

Макс Планк у 1900 р. висловив припущення (гіпотезу) про те, що світло повинне випромінюватися порціями (квантами). Енергії порції прямо пропорційна частоті світлової хвилі E = hn, де h - постійна Планка, n - частота світла.

Енергія порції (кванта) дуже мала, наприклад для видимого випромінювання вона приблизно дорівнює 10-19Дж. Тому для вимірювання таких енергій зручно використовувати іншу одиницю енергії, яка називається електрон-вольт (1еВ). 1еВ - енергія, яку набуває електрон минулий прискорює різниця потенціалів у 1В. 1еВ = 1,6 * 10-19Дж.

Постійна Планка - фундаментальна константа, яка характеризує мікросвіт, h = 6,62 * 10-34Дж * с При цьому Планк вважав, що світ тільки народжується неділимої порціями, а «живе» (поширюється), як звичайна електромагнітна хвиля.

При побудові своєї теорії рівноважного теплового випромінювання Планк виходив з припущення, що речовина являє собою сукупність електронних осциляторів, за допомогою яких і відбувається обмін енергією між матерією і випромінюванням. Такий осцилятор являє собою матеріальну точку, утримувану біля свого положення рівноваги силою. Величина цієї сили зростає пропорційно відхиленню від положення рівноваги, і осцилятор є механічною системою, яка характеризується одним своєрідним властивістю. Це властивість полягає в тому, що частота коливань осцилятора не залежить від величини його амплітуди.

Дотримуючись Планку, визначимо квант енергії осцилятора як величину, рівну добутку частоти цього осцилятора на постійну h, і припустимо, що при взаємодії осцилятори з випромінюванням він може втрачати чи купувати енергію тільки стрибком, причому величина цього стрибка дорівнює відповідному кванту енергії. Але в такому вигляді гіпотеза квантування енергії виявляється застосовної тільки у випадку гармонійних осциляторів. Дійсно, в загальному випадку системи, частота коливань якої не постійна, а залежить від амплітуди коливань, введене визначення кванта енергії стає неоднозначним. Оскільки постійна має розмірність дії, тобто розмірність твори енергії на час або кількості руху на шлях, то її можна розглядати як елементарне кількість дії, свого роду одиницю дії в атомному світі. Розглянемо тепер механічну систему, що здійснювало періодичне рух і характеризується тільки однієї змінної, скажімо, систему, що складається з однієї частинки, що здійснює періодичний рух уздовж деякої, прямий. Для такої системи можна обчислити інтеграл дії по Мопертюї, який збігається з інтегралом дії, що фігурують в принципі найменшої дії, взятим за повного періоду руху.

Ця величина є певною характеристикою періодичного руху. Вимагаючи, щоб вона дорівнювала твору цілого числа на постійну Планка, отримуємо нове формулювання принципу квантування, застосовну до будь-якого одновимірного періодичному руху. Легко переконатися, що в окремому випадку гармонійного осцилятора цей новий принцип повністю еквівалентний раніше принципом квантування енергії. Щоб надати принципом квантування більш загальну форму, Планку довелося відмовитися від первинної гіпотези квантування енергії та замінити її гіпотезою про квантуванні дії.

Те, що в загальному формулюванні принципу квантування фігурує саме дія, було одночасно і природним, і дещо дивним. Природним тому, що ця величина грає істотну роль у всій аналітичної механіки згідно з принципом Гамільтона і принципу найменшої дії. Це в свою чергу призвело до того, що весь апарат аналітичної механіки як би вже був готовий сприйняти новий принцип квантування. Дивним квантування саме дії здавалося тому, що з чисто фізичної точки зору важко було зрозуміти, як така величина, як дія, що носить досить абстрактний характер і не задовольняє безпосередньо ніяким законам збереження, може являти собою характеристику дискретності процесів атомного світу.

Дія завжди виражається у вигляді твори деяких величин, що мають геометричну природу, на відповідні величини, що мають динамічну природу. Пари цих величин утворюють в аналітичній механіці канонічно зв'язані змінні. Так, інтеграл, що фігурує в принципі найменшої дії Мопертюї, є криволінійний інтеграл від кількості руху уздовж траєкторії. І свого роду дискретність дії, що виражається введенням постійної Планка, вказує на наявність певного взаємозв'язку між простором і часом, з одного боку, і динамічними явищами, які ми намагаємося локалізувати в цьому просторі і часі, з іншого. Цей взаємозв'язок носить абсолютно новий характер, абсолютно чужий концепціям класичної фізики. І в цьому полягає глибоке і революційне значення ідей, покладених Планком в основу теорії рівноважного випромінювання чорного тіла.

Планк виходив з припущення, що речовина може випускати випромінювання не безперервно, а тільки окремими кінцевими порціями. Це, однак, не тягне за собою однозначного припущення про дискретності структури випромінювання. Можна побудувати дві різні теорії, що спочивають на двох протилежних припущеннях щодо характеру поглинання випромінювання речовиною. В основі першої, мабуть, більш послідовною і завоювала згодом загальне визнання, лежить припущення про те, що елементи речовини, наприклад, електронні осцилятори, можуть перебувати лише у таких станах руху, які відповідають квантованим значенням енергії. Звідси безпосередньо випливає, що як випускання, так і поглинання випромінювання може відбуватися лише дискретно окремими порціями, або квантами. Це в свою чергу необхідно тягне за собою твердження про дискретності структури випромінювання.

Збентежений цим незрозумілим наслідком своїх власних ідей, Планк довгий час намагався розвивати іншу, менш радикальну форму квантової теорії, в якій тільки випускання випромінювання носило дискретний характер, а поглинання залишалося безперервним. Вважалося, що речовина може безперервно поглинати падаюче на нього випромінювання, але випускати його воно може лише дискретно, окремими квантами. Легко зрозуміти мету, яку Планк переслідував. Він намагався захистити і зберегти колишнє уявлення про безперервну природу випромінювання, оскільки здавалося, що тільки в цьому випадку квантова теорія не буде суперечити хвильової теорії, що знайшла неодноразові підтвердження в численних і дуже точних експериментах.

Однак, незважаючи на всю винахідливість, вкладену Планком у розвиток цієї форми квантової теорії, вона була спростована подальшим ходом фізики і, зокрема, ейнштейновим поясненням фотоефекту і успіхом теорії атома Бора ^7.

10. ЯКЕ СТАН СОНЦЯ І ЙОГО АТМОСФЕРИ? ЯКІ ПРОЯВИ І ЗАКОНОМІРНОСТІ СОНЯЧНОЇ АКТИВНОСТІ? У якому стані перебуває СОНЯЧНЕ РЕЧОВИНА? ЯКІ СКЛАД СОНЯЧНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ? ЩО ТАКЕ СОНЯЧНИЙ ВІТЕР? ЯК ВІН ПРОЯВЛЯЄТЬСЯ НА ЗЕМЛІ

За сучасними уявленнями, Сонце складається з ряду концентричних сфер, або областей, кожна з яких володіє специфічними особливостями. Схематичний розріз Сонця показує його зовнішні особливості разом з гіпотетичним внутрішньою будовою. Енергія, що звільняється термоядерними реакціями в ядрі Сонця, поступово прокладає шлях до видимої поверхні світила. Вона переноситься за допомогою процесів, в ході яких атоми поглинають, перевипромінюють і розсіюють випромінювання, тобто променевим способом. Пройшовши близько 80% шляху від ядра до поверхні, газ стає нестійким, і далі енергія переноситься вже конвекцією до видимої поверхні Сонця й у його атмосферу.

Внутрішня будова Сонця шарувату, або оболонкової, воно складається з низки сфер, або областей. У центрі знаходиться ядро, потім область променевого переносу енергії, далі конвективна зона і, нарешті, атмосфера. До неї ряд дослідників відносять три зовнішні області: фотосферу, хромосферу і корону. Правда, інші астрономи до сонячної атмосфері відносять тільки хромосферу і корону. Зупинимося коротко на особливостях названих сфер.

Ядро - центральна частина Сонця з надвисоким тиском і температурою, забезпечують протягом ядерних реакцій. Вони виділяють величезну кількість електромагнітної енергії в гранично коротких діапазонах хвиль.

Область променевого переносу енергії - знаходиться над ядром. Вона утворена практично нерухомим і невидимим сверхвисокотемпературним газом. Передача через неї енергії, що генерується в ядрі, до зовнішніх сфер Сонця здійснюється променевим способом, без переміщення газу. Цей процес треба уявляти собі приблизно так. З ядра в область променевого переносу енергія надходить в гранично короткохвильових діапазонах - гамма випромінювання, а йде в більш довгохвильовому рентгенівському, що пов'язано зі зниженням температури газу до периферійній зоні.

Конвективна область - розташовується над попередньою. Вона утворена також невидимим розпеченим газом, що знаходиться в стані конвективного перемішування. Перемішування обумовлено положенням області між двома середовищами, різко відрізняються за пануючим у них тиску і температурі. Перенесення тепла з сонячних надр до поверхні відбувається в результаті локальних піднять сильно нагрітих мас повітря, що знаходяться під високим тиском, до периферії світила, де температура газу менше і де починається світловий діапазон випромінювання Сонця. Товщина конвективної області оцінюється приблизно в 1 / 10 частину сонячного радіуса.

Фотосфера - це нижній з трьох шарів атмосфери Сонця, розташований безпосередньо на щільній масі невидимого газу конвективної області. Фотосфера утворена розпеченим іонізованим газом, температура якого біля основи близька до 10000 (тобто абсолютна температура), а біля верхньої межі, розташованої приблизно в 300 км вище, близько 5000 К. Середня температура фотосфери приймається в 5700 К. При такій температурі розпечений газ випромінює електромагнітну енергію переважно в оптичному діапазоні хвиль. Саме цей нижній шар атмосфери, видимий як жовтувато-яскравий диск, зорово сприймається нами як Сонце.

Сонце обертається не як тверде небесне тіло начебто Землі. На відміну від Землі різні частини Сонця обертаються з різними швидкостями. Швидше за все крутиться екватор, роблячи один оберт за 25 днів. При віддаленні від екватора швидкість обертання знижується, і в полярних областях один оборот займає вже 35 днів. Різні швидкості обертання можливі тільки тому, що Сонце - це газова куля. Один з наслідків полягає в закручуванні магнітного поля Сонця, що збільшує сонячну активність.

Плями на Сонці - це лише один приклад сонячної активності. «Погодні явища» в сонячній атмосфері зовсім відмінні від земних. Магнітні бурі і вибухи, звані спалахами, раптово здіймаються над поверхнею Сонця. У певному відношенні вони нагадують електричну енергію. Однак на Сонці енергія гігантських електричних розрядів набагато перевершує енергію земних блискавок. Сонячні бурі впливають на Землю, тому астрономи тримають Сонце під постійним наглядом. Сонячні спалахи здіймав електрично заряджені частинки в космос, що дивним чином впливає на нашу атмосферу.

Склад сонячного випромінювання. Середня густина сонячної речовини - 1.41 г / куб.см, що становить 0.256 середньої щільності Землі (сонячне речовина містить за масою понад 70% водню, понад 20% гелію і бл. 2% ін елементів).

Минуло майже 40 років з тих пір, як американський фізик Е. Паркер теоретично пророчив явище, яке отримало назву «сонячний вітер» і яке через пару років було підтверджено експериментально групою радянського вченого К. Грінгауза за допомогою приладів, встановлених на космічних апаратах «Луна- 2 »і« Луна-3 ». Сонячний вітер є потік повністю іонізованої водневої плазми, тобто газу, що складається з електронів і протонів приблизно однакової щільності (умова квазінейтральності), який з великою надзвуковою швидкістю рухається від Сонця. Як проявляється сонячний вітер на Землі? На орбіті Землі (на одній астрономічної одиниці від Сонця) швидкість VE цього потоку дорівнює приблизно 400-500 км / с, концентрація протонів (або електронів) ne = 10-20 часток у кубічному сантиметрі, а їх температура Te дорівнює приблизно 100000 К (температура електронів трохи вище). Крім електронів і протонів в міжпланетному просторі були виявлені альфа-частинки (порядку декількох відсотків), невелика кількість більш важких частинок, а також магнітне поле, середня величина індукції якого опинилася на орбіті Землі порядку декількох гам.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Волькенштейн М.В. Ентропія та інформація. М.: Наука, 1986.

2. Дубніщева Т.Я. Концепції сучасного природознавства. Новосибірськ: ТОВ «Видавництво ЮКЕА», 2001.

3. Дубніщева Т.Я., Пігарєв А.Ю. Сучасне природознавство. Новосибірськ: ТОВ «Видавництво ЮКЕА», 2004.

4. Рубін А.Б. Термодинаміка біологічних процесів. М.: Изд-во МГУ, 1984.

5. Хорошавін С. Г. Концепції сучасного природознавства. Курс лекцій. (Серія «Підручники, навчальні посібники»), Ростов Н / Д. «Фенікс», 2002.