1. Закони збереження маси і енергії в макроскопічних процесах
ЗАКОН ЗБЕРЕЖЕННЯ ЕНЕРГІЇ
взаимодействующих друг с другом частиц, находящихся под воздействием внешних как консервативных, так и неконсервативных сил.
Розглянемо систему, що складається з N взаємодіють один з одним часток, що перебувають під впливом зовнішніх як консервативних, так і неконсервативних сил. Сили взаємодії між частинками передбачаються консервативними. Визначимо роботу, що здійснюються над частками при переміщенні системи з одного місця в інше, що супроводжується зміною конфігурації системи. Робота зовнішніх консервативних сил може бути представлена як зменшення потенційної енергії системи в зовнішньому силовому полі:
де визначається формулою (9).
Робота внутрішніх сил дорівнює убутку взаємної потенційної енергії частинок:
,
де - Потенційна енергія системи у зовнішньому полі сил.
Роботу неконсервативних сил позначимо .
, которая равна сумме кинетических энергий частиц:
Відповідно до формули (7) сумарна робота всіх сил витрачається на приріст кінетичної енергії системи E k, яка дорівнює сумі кінетичних енергій частинок:
Отже,
.
Згрупуємо члени цього співвідношення наступним чином:
.
:
Сума кінетичної і потенційної енергій представляє собою повну механічну енергію системи E: .
Таким чином, ми встановили, що робота неконсервативних сил дорівнює приросту повної енергії системи:
(11)
З (11) випливає, що у разі, коли неконсерватівние сили відсутні, повна механічна енергія системи залишається сталою:
.
Ми прийшли до закону збереження механічної енергії, який свідчить, що повна механічна енергія системи матеріальних точок, що знаходяться під дією тільки консервативних сил, залишається постійною.
Якщо система замкнута і сили взаємодії між частинками консервативні, то повна енергія містить тільки два доданки: (
- Взаємна потенційна енергія частинок). У цьому випадку закон збереження механічної енергії полягає у твердженні, що повна механічна енергія замкнутої системи матеріальних точок, між якими діють лише консервативні сили, залишається постійною.
В основі закону збереження енергії лежить однорідність часу, тобто 1 моментом времени t 2 без изменения значений координат и скоростей тел не изменяет механических свойств системы.
рівнозначність всіх моментів часу, полягає в тому, що заміна моменту часу t 1 моментом часу t 2 без зміни значень координат і швидкостей тіл не змінює механічних властивостей системи. 2 , будет таким же, каким оно было бы, начиная с момента t 1 . Поведінка системи, починаючи з моменту t 2, буде таким же, яким воно було б, починаючи з моменту t 1.Закон збереження енергії має загальний характер. Він застосовується до всіх без винятку процесів, що відбуваються в природі. Повна кількість енергії в ізольованій системі тіл і полів завжди залишається постійним; енергія лише може переходити з однієї форми в іншу. Цей факт є проявом не знищуване матерії та її руху.
2. Самоорганізація хімічних систем і енергетика хімічних процесів
Здатність до взаємодії різних хімічних реагентів визначається не тільки їх атомарно-молекулярною структурою, але й умовами протікання хімічних реакцій.
До умов протікання хімічних процесів відносяться: термодинамічні фактори (температура, тиск), наявність каталізаторів та інших добавок до реагентів, вплив розчинників, стінок реакторів і ін Зазначені умови можуть впливати на характер і результат хімічних реакцій при певній структурі молекул хімічних сполук. Найбільш активні в цьому відношенні з'єднання змінного складу з ослабленими зв'язками між їх компонентами. Взяти, наприклад, реакцію синтезу з азоту і водню. Спочатку його не вдавалося отримати ні з допомогою великого тиску, ні високої температури, і тільки використання в якості каталізатора спеціально обробленого заліза вперше привело до успіху. У присутності металоорганічного каталізатора синтез аміаку відбувається при звичайній температурі (18 ° С) і нормальному атмосферному тиску. Це відкриває великі перспективи не тільки для виробництва добрив, але в майбутньому такої зміни генної структури злаків (жита, пшениці), коли вони не будуть мати потребу в азотних добривах.
Слід зазначити, що виникнення і еволюція життя на Землі були б неможливі без існування ферментів, службовців по суті справи живими каталізаторами. Однак, вони функціонують тільки в рамках живої природи. Спроби перенести досвід живої природи на неорганічний світ наштовхуються на серйозні обмеження.
Той факт, що каталіз відігравав вирішальну роль у процесі переходу від хімічних систем до біологічних, тобто на предбіотичною стадії еволюції, в даний час підтверджується багатьма даними та аргументами. Найбільш переконливі результати пов'язані з дослідами з самоорганізації хімічних систем, які спостерігали наші вчені Борис Павлович Білоусов та Олексій Михайлович Жаботинський. Їх працями була відкрита коливальна хімічна реакція. Б.П. Бєлоусов зробив простий експеримент. Він приготував розчин, що складається з лимонної кислоти (2,0 р.), сірчаної кислоти (1:3) і 20 мл води. Розчин періодично міняв забарвлення: ставав то жовтим, то безбарвним. Вперше був відкритий «хімічний маятник». Хоча на кілька років це відкриття було віддано забуттю, проте в 1970 р. А.М. Жаботинський повторив цей досвід і підтвердив відкриття «хімічного маятника». Такі реакції супроводжуються утворенням специфічних просторових і часових структур за рахунок надходження нових і видалення використаних хімічних реагентів. Однак на відміну від самоорганізації відкритих фізичних систем у зазначених хімічних реакціях важливе значення набувають каталітичні процеси. Роль цих процесів посилюється в міру ускладнення складу і структури хімічних систем.
В даний час відкрито більше 50 автохвильовим хімічних і біологічних реакцій, аналогічних реакції Бєлоусова - Жаботинського, частина з них - кольорові або флуоресцентні, що робить можливим безпосереднє спостереження і використання як аналогових обчислювальних пристроїв. На цій підставі деякі вчені пов'язують хімічну еволюцію з самоорганізацією і саморозвитком каталітичних систем. Однак, слід мати на увазі, що перехід до найпростіших форм життя можливий лише за особливого диференціальному відборі таких хімічних елементів і їх сполук, які є основним будівельним матеріалом для утворення біологічних систем. У зв'язку з цим досить відзначити, що з більш ніж ста хімічних елементів лише шість (С, О 2, Н 2, S, СО, N), названих органогенних, служать основою для побудови живих систем.
Видатним досягненням хімії є відкриття ланцюгових реакцій ще до того, як у фізиці був виявлений радіоактивний розпад.
Суть ланцюгової реакції М.М. Семенов описує так: «Енергії кванта достатньо для того, щоб двохатомних молекул хлору розпалася на окремі атоми. Кожен з них активніше первісної молекули і тому легко вступає в реакцію з молекулою водню. Вона також двохатомних (мал.).
Схема ланцюгової хімічної реакції
Один з атомів разом з атомом хлору дає молекулу продукту-хлористого водню, а інший атом водню залишається вільним. Тепер він легко вступає в реакцію з найближчою молекулою хлору, утворюючи другий молекулу хлористого водню і окремий атом хлору. Це повторюється багато-багато разів, виникає як би довгий ланцюг реакцій. Теорія розгалужених ланцюгових реакцій дала початок новому напряму досліджень - хімічної фізики, дисципліни, проміжної між фізикою і хімією.
4. Забруднення навколишнього середовища. Атмосфера, вода, грунт, їжа
Найбільш масштабним і значним є хімічне забруднення середовища невластивими їй речовинами хімічної природи. Серед них - газоподібні й аерозольні забруднювачі промислово-побутового походження. Прогресує і накопичення вуглекислого газу в атмосфері. Подальший розвиток цього процесу буде підсилювати небажану тенденцію убік підвищення середньорічної температури на планеті. Викликає тривогу в екологів і триваюче забруднення Світового океану нафтою і нафтопродуктами, що досягло вже 1 / 5 його загальної поверхні. Нафтове забруднення таких розмірів може викликати істотні порушення газо і водообміну між гідросферою і атмосферою. Не викликає сумнівів і значення хімічного забруднення грунту пестицидами і її підвищеною кислотністю, що веде до розпаду екосистеми. У цілому всі розглянуті фактори, яким можна приписати забруднюючий ефект, впливають на процеси, що відбуваються в біосфері.
Атмосферні забруднювачі
Поділяють на первинні, вступники безпосередньо в атмосферу, і вторинні, що є результатом перетворення останніх. Основним джерелом пірогенного забруднення на планеті є теплові електростанції, металургійні і хімічні підприємства, котельні установки, що споживають більше 70% щорічно видобувається твердого та рідкого палива: а) Оксид вуглецю б) Сірчистий ангідрид в) Сірчаний ангідрид г) Сірководень і сірковуглець д) Оксиди азоту е) З'єднання фтору ж) Сполуки хлору.
Аерозольне забруднення атмосфери. Аерозолі - це тверді або рідкі частинки, що знаходяться в зваженому стані в повітрі. Тверді компоненти аерозолів у ряді випадків особливо небезпечні для організмів, а в людей викликають специфічні захворювання. В атмосфері аерозольні забруднення сприймаються у вигляді диму, туману, імли або серпанку.
Основними джерелами штучних аерозольних забруднень повітря є ТЕС, які споживають вугілля високої зольності, збагачувальні фабрики, металургійні, цементні, магнезитові і сажеві заводи. Постійними джерелами аерозольного забруднення є промислові відвали - штучні насипи з перевідкладеного матеріалу, переважно розкривних порід. Джерелом пилу й отруйних газів служать масові підривні роботи.
Хімічне забруднення природних вод
Зазвичай виділяють хімічне, фізичне й біологічне забруднення, як неорганічної (мінеральні солі, кислоти, луги, глинисті частки), так і органічної природи (нафта й нафтопродукти, органічні залишки, поверхнево-активні речовини, пестициди).
Неорганічне забруднення. Основними неорганічними (мінеральними) забруднювачами прісних і морських вод є різноманітні хімічні сполуки, токсичні для мешканців водного середовища. Це сполуки миш'яку, свинцю, кадмію, ртуті, хрому, міді, фтору. Більшість з них потрапляє у воду в результаті людської діяльності.
Органічне забруднення. Серед внесених в океан із суши розчинних речовин, велике значення для мешканців водного середовища мають не тільки мінеральні, біогенні елементи, але й органічні залишки.
Забруднення грунту
Грунтовий покрив Землі являє собою найважливіший компонент біосфери Землі. Саме грунтова оболонка визначає багато процесів, що відбуваються в біосфері.
Одним з видів антропогенного впливу є забруднення пестицидами.
Пестициди як забруднюючий фактор. Відкриття пестицидів - хімічних засобів захисту рослин і тварин від різних шкідників і хвороб - одне з найважливіших досягнень сучасної науки.
Кислі атмосферні випади на сушу. Одна з найгостріших глобальних проблем сучасності і недалекого майбутнього - це проблема зростаючої кислотності атмосферних опадів і грунтового покриву.
Висновок
Охорона природи - завдання нашого століття, проблема, що стала соціальною. Знову і знову ми чуємо про небезпеку, що загрожує навколишньому середовищі, але до цих пір багато хто з нас вважають їх неприємним, але неминучим породженням цивілізації й думають, що ми ще встигнемо впоратися з усіма утрудненнями, що.
Однак вплив людини на навколишнє середовище прийняло загрозливі масштаби. Щоб у корені поліпшити положення, знадобляться цілеспрямовані і продумані дії. Відповідальна і діюча політика стосовно навколишнього середовища буде можлива лише в тому випадку, якщо ми назбираємо надійні дані про сучасний стан середовища, обгрунтовані знання про взаємодію важливих екологічних факторів, якщо розробимо нові методи зменшення і запобігання шкоди, що завдається Природі Людиною.