Закони збереження та принципи діють у природі

в. Головний результат сучасного природознавства в тому, що воно зруйнувало нерухому систему понять XIX ст.

Мета будь-якої зміни, якщо воно по природі речей полягає в тому, щоб реалізувати в кожному організмі ідеал його раціональної сутності. У цієї сутності, яка в застосуванні до живого є в один і той же час його остаточна, формальна і діюча причина, - ключ до розуміння сутності природи. ... "Народження сучасної науки" - зіткнення між послідовниками Арістотеля і Галілея - є зіткнення між двома формами раціональності.

Отже, можна виділити три приклади картин світу:

-Сутнісну преднаучную;

-Механистическую;

-Еволюційну.

Сучасна природно наукова картина світу грунтується на принципі саморозвитку. У цій картині присутні чоловік і його думка. Вона еволюційна і необоротна.

Мета роботи - вивчити закони збереження і принципи, які у природі.

1. ДИНАМІЧНІ ЗАКОНИ У МАКРО-I статичну У мікросвіті

Макросвіт і мікросвіт - дві специфічні області об'єктивної реальності, що розрізняються рівнем структурної організації матерії. Сфера макроявищ - це звичайний світ, в якому живе і діє людина (планети, земні тіла, кристали, великі молекули та ін.) Якісно іншу область представляє мікросвіт (атоми, ядра, елементарні частинки тощо), де розміри об'єктів менше мільярдних часток сантиметра, а тимчасові проміжки порядку мільярдних часток секунди, тобто безпосередньо недоступні спостереженню. Кожен з цих світів характеризується своєрідністю будови матерії, просторово-часових і причинних відносин, закономірностей руху.

Так, в макросвіті матеріальні об'єкти мають різко виражену безперервно, корпускулярну чи безперервну, хвильову природу і їх рух підкоряється динамічним законами класичної механіки. Для явищ мікросвіту, навпаки, характерна тісний зв'язок корпускулярних і хвильових властивостей, яка знаходить своє вираження у статистичних законах квантової механіки. Своєрідна межа розділу макро-і мікросвіту була встановлена ​​у зв'язку з відкриттям теорії, названої постійної Планка. Суттєвим аспектом цієї нової константи з'явилася «кінцівку взаємодії», яка означала, що будь-які взаємодії між об'єктами в мікросвіті (в т. ч. між приладом і мікрочастинок) не можуть бути меншими від кванта дії. Специфіка макро-і мікросвіту знаходить своє відображення в пізнанні, призводить до обмеження сфери застосування старих фізичних теорій і виникненню нових (теорія відносності, квантова механіка, фізика елементарних частинок). Сучасні «фізичні ідеалісти», абсолютизуючи відмінність макро-і мікросвіту, особливості їх пізнання, приходять до заперечення об'єктивності і пізнаванності мікросвіту. У дійсності ж наука показує тісний зв'язок між макро-і мікросвітом і виявляє, зокрема, можливості появи макроскопічних об'єктів при зіткненні мікрочастинок високої енергії. Проникнення фізики у світ атома, а потім атомного ядра і елементарних частинок стало блискучим підтвердженням і збагаченням принципів діалектичного матеріалізму.

Основний зміст проблем детермінізму і причинності - це співвідношення динамічних і статистичних закономірностей.

Детермінізм - це вчення про об'єктивну закономірною взаємозв'язку і взаємозумовленості явищ матеріального і духовного світів. Центральним ядром детермінізму є положення про існування причинності.

Причинність - це генетичний зв'язок між окремими станами видів і форм матерії в процесі її руху і розвитку.

Поняття причинності виникло у зв'язку з практичною діяльністю людей. Для нього характерно три ознаки:

1. Тимчасове Попередня причина слідству ("немає диму без вогню»).

2. Одна і та ж причина завжди обумовлює одне і те ж слідство (яблуко однаково падає, тому що причина - тяжіння Землі).

3. Причина - це активний агент, що виробляє дію.

Ідея детермінізму, таким чином, полягає в тому, що всі явища і події в світі не довільні, а підпорядковуються об'єктивним закономірностям, які існують поза і незалежно від їх пізнання. Прояв детермінізму пов'язано з існуванням об'єктивних фізичних законів і знаходить відображення у фундаментальних фізичних теоріях.

Фундаментальні фізичні закони - це найбільш повне на сьогоднішній день, але наближене відображення об'єктивних процесів у природі. Різні форми руху матерії описуються різними фундаментальними теоріями. Кожна з цих теорій описує цілком певні явища: механічне або тепловий рух, електромагнітні явища.

Існують більш загальні закони в структурі фундаментальних фізичних теорій, що охоплюють всі форми руху матерії і всі процеси. Це закони симетрії, або інваріантності, та пов'язані з ними закони збереження фізичних величин. Всі фізичні закони діляться на дві великі групи: динамічні та статистичні.

Динамічними називають закони, що відображають об'єктивну закономірність у формі однозначного зв'язку фізичних величин. Динамічна теорія - це теорія, що представляє сукупність фізичних законів.

Статистичні закони - це такі закони, коли будь-який стан являє собою імовірнісну характеристику системи. Тут діють статистичні розподіли величин. Це означає, що у статистичних теоріях стан визначається не значеннями фізичних величин, а їх розподілами. Знаходження середніх значень фізичних величин - головне завдання статистичних теорій. Імовірнісні характеристики стану зовсім відмінні від характеристик стану у динамічних теоріях. Статистичні закони і теорії є більш досконалою формою опису фізичних закономірностей, так як будь-який відомий сьогодні процес у природі більш точно описується статистичними законами, ніж динамічними. Різниця між ними в одному - в способі опису стану системи.

Зміна динамічних теорій статистичними не означає, що старі теорії скасовані і здані в архів. Практична їх цінність в певних межах анітрохи не зменшується. При розмові про зміну теорій мається на увазі зміна глибоких фізичних уявлень більш глибокими уявленнями про сутність явищ, опис яких дається відповідними теоріями. Одночасно зі зміною фізичних уявлень розширюється область застосування теорії.

2 ЗАКОН ЗБЕРЕЖЕННЯ ЕНЕРГІЇ І неможливості створення вічного двигуна першого роду

Механічна енергія підрозділяється на два види: потенційну та кінетичну. Потенційна енергія характеризує взаємодіючі тіла, а кінетична - рухомі. І потенційна і кінетична енергії змінюються тільки в результаті такої взаємодії тіл, при якому діють на тіла сили роблять роботу, відмінну від нуля.

Розглянемо тепер питання про зміну енергії при взаємодії тіл, що утворюють замкнену систему. Якщо декілька тіл взаємодіють між собою лише силами тяжіння і силами пружності і ніякі зовнішні сили не діють, то при будь-яких взаємодіях тіл сума кінетичної і потенційної енергій тіл залишається постійною. Це твердження називається законом збереження енергії в механічних процесах.

Сума кінетичної і потенційної енергій тіл називається повною механічною енергією. Тому закон збереження енергії можна сформулювати так: повна механічна енергія замкнутої системи тіл, взаємодіючих силами тяжіння та пружності, залишається постійною.

Основний зміст закону збереження енергії полягає не тільки у встановленні факту збереження повної механічної енергії, а й у встановленні можливості взаємних перетворень кінетичної і потенційної енергій в рівній кількісної мірою при взаємодії тіл.

Закон збереження повної механічної енергії в процесах з участю сил пружності і гравітаційних сил є одним з основних законів механіки. Знання цього закону спрощує вирішення багатьох завдань, що мають велике значення в практичному житті.

Наприклад, для отримання електроенергії широко використовується енергія річок. З цією метою будують греблі, перегороджують річки. Під дією сил тяжіння вода з водосховища за греблею рухається вниз по криниці прискорено і набуває деякої кінетичну енергію. При зіткненні швидко рухається потоку води з лопатками гідравлічної турбіни відбувається перетворення кінетичної енергії поступального руху води в кінетичну енергію обертального руху роторів турбіни, а потім за допомогою електричного генератора - в електричну енергію. Механічна енергія не зберігається, якщо між тілами діють сили тертя. Автомобіль, що рухався по горизонтальному ділянці дороги після вимкнення двигуна, проходить певний шлях і під дією сил тертя зупиняється. Під час гальмування автомобіля відбулося нагрівання гальмівних колодок, шин автомобіля та асфальту. У результаті дії сил тертя кінетична енергія автомобіля не зникла, а перетворилася у внутрішню енергію теплового руху молекул.

Таким чином, за будь-яких фізичних взаємодіях енергія не виникає, а тільки перетворюється з однієї форми в іншу. Цей експериментально встановлений факт називається законом збереження і перетворення енергії. Джерела енергії на землі великі й різноманітні. Колись у давнину люди знали тільки одне джерело енергії - мускульну силу і силу домашніх тварин. Енергія поновлювалася за рахунок їжі. Тепер більшу частину роботи роблять машини, джерелом енергії для них служать різні види викопного палива: кам'яне вугілля, торф, нафта, а також енергія води і вітру. Якщо простежити «родовід» всіх цих різноманітних видів енергії, то виявиться, що всі вони є енергією сонячних променів. Енергія навколишнього нас космічного простору акумулюється Сонцем у вигляді енергії атомних ядер, хімічних елементів, електромагнітних і гравітаційних полів. Сонце, у свою чергу, забезпечує Землю енергією, що дається взнаки у вигляді енергії вітру і хвиль, припливів і відливів, у формі геомагнетизму, різного виду випромінювань (в тому числі і радіоактивності надр і т.д.), м'язової енергії тваринного світу.

Геофізична енергія вивільняється у вигляді природних стихійних явищ (вулканізм, землетруси, грози, цунамі і т.д.), обміну речовин у живих організмах (що становлять основу життя), корисної роботи з переміщення тіл, зміни їх структури, якості, передачі інформації, запасання енергії в різного роду акумуляторах, конденсаторах, в пружній деформації пружин, мембран. Будь-які форми енергії, перетворюючись одне в одного за допомогою механічного руху, хімічних реакцій і електромагнітних випромінювань, врешті-решт, переходять у тепло і розсіюються в навколишній простір. Це явище проявляється у вигляді вибухових процесів, горіння, гниття, плавлення, випаровування, деформації, радіоактивного розпаду. Відбувається кругообіг енергії в природі, що характеризується тим, що в космічному просторі реалізується не тільки хаотизацію, а й зворотний їй процес - упорядкування структури, які наочно простежуються, передусім, у зореутворення, трансформації і виникненні нових електромагнітних і гравітаційних полів, і вони знову несуть свою енергію новим «сонячним системам». І все повертається на круги своя.

Закон збереження механічної енергії був сформульований німецьким вченим А. Лейбніцем. Потім німецький вчений Ю.Р. Майер, англійський фізик Дж. Джоуль і німецький вчений Г. Гельмгольц експериментально відкрили закони збереження енергії в немеханічних явищах. Таким чином, до середини XIX ст. оформилися закони збереження маси і енергії, які трактувалися як закони збереження матерії і руху. На початку XX ст. обидва ці закони збереження піддалися корінного перегляду у зв'язку з появою спеціальної теорії відносності: при описі рухів зі швидкостями, близькими до швидкості світла, класична ньютонівська механіка була замінена релятивістської механікою. Виявилося, що маса, яка визначається за інерційних властивостям тіла, залежить від його швидкості і, отже, характеризує не тільки кількість матерії, але і її рух. Поняття енергії теж піддалося зміні: повна енергія виявилася пропорційна масі (Е = mс2). Таким чином, закон збереження енергії в спеціальній теорії відносності природним чином об'єднав закони збереження маси і енергії, що існували в класичній механіці. Окремо ці закони не виконуються, тобто неможливо охарактеризувати кількість матерії, не беручи до уваги її рух і взаємодію.

Еволюція закону збереження енергії показує, що закони збереження, будучи почерпнутими з досвіду, потребують, час від часу в експериментальній перевірки і уточнення. Не можна бути впевненим, що з розширенням меж людського пізнання даний закон або його конкретна формулювання залишаться справедливими. Закон збереження енергії, все більш уточнюючи, поступово перетворюється з невизначеного і абстрактного висловлювання в точну кількісну форму.

Перший закон термодинаміки є законом збереження енергії стосовно тепловим процесам. Цей закон стверджує неможливість створення вічного двигуна першого роду, який би виробляв роботу без підведення енергії.

Цей закон стверджує, що теплова енергія, підведена до замкнутій системі, витрачається на збільшення її внутрішньої енергії і роботу, вироблену проти зовнішніх сил.

3 Другий закон термодинаміки і неможливість створення вічного двигуна другого роду

Відповідно до першого закону термодинаміки, можуть протікати тільки такі процеси, при яких повна енергія системи залишається постійною. Наприклад, перетворення теплової енергії повністю в механічну не пов'язане з порушенням першого закону термодинаміки, але тим не менш воно неможливе. Другий закон термодинаміки ще більше обмежує можливості процесів перетворення.

Другий закон термодинаміки стверджує, що не може бути створений вічний двигун другого роду, який би виробляв роботу за рахунок тепла навколишнього середовища, без яких-небудь змін в оточуючих тілах. Тобто в природі не може бути процесів, єдиним результатом яких було б перетворення теплоти в роботу. Цей закон стверджує, що у всіх явищах природи теплота сама переходить від більш нагрітих тіл до менш нагрітих. Якщо система замкнута і неможливі ніякі її самовільні перетворення, то ентропія досягає максимуму. Стан з найбільшою ентропією відповідає статичному рівноваги. Ентропія є мірою імовірності здійснення даного термодинамічного стану або мірою відхилення системи від статичної рівноваги.

Другий закон термодинаміки можна сформулювати як закон, згідно з яким ентропія теплоізольованої системи буде збільшуватися при необоротних процесах або залишатися постійною, якщо процеси зворотні. Це положення стосується тільки ізольованих систем.

Другий закон термодинаміки говорить про те, що в замкнутій системі при відсутності будь-яких процесів не може сама по собі виникнути різниця температур, тобто теплота не може мимовільно перейти від більш холодних частин до більш гарячим.

Згідно з другим законом термодинаміки, будь-які замкнуті системи повинні перейти в більш ймовірне стан, що характеризується термодинамічним рівновагою з найменшою вільної енергією і з найбільшою величиною ентропії. Тому явище спонтанного (самовільного) переходу речовини з симетричного стану в асиметричне, супроводжуване підвищенням впорядкованості та енергетичного рівня системи і зниженням її ентропії, здається просто нереальним. Однак труднощі термодинамічної характеру в питанні походження життя до цих пір не визначені. Рішення поки немає.

Існує точка зору, що другий закон термодинаміки не застосуємо до живих систем, так як вони не є замкнутими системами. Живі системи - це відкриті системи. Ентропія живих молекул дуже низька і має тенденцію до зниження. Цей факт сьогодні є загальновизнаним, а її асиметрія не є стан порушення рівноваги, відсутність структурності або безладдя, а є стан динамічної рівноваги і впорядкованості, більш складної структурності і більш високого енергетичного рівня. Це те саме вкрай малоймовірне стан, який змушує засумніватися в абсолютності знання. Зростання ентропії і говорить про необхідність пошуку нової фізичної теорії або біологічної закономірності, яка описує цей стан.

4. ЕНЕРГЕТИКА ХІМІЧНИХ ПРОЦЕСІВ

Навколишній нас світ багатий своїми формами і різноманіттям відбуваються в ньому явищ. Все. існуюче являє собою різні види рухомої матерії, які знаходяться в стані безперервного руху і розвитку. Рух як постійна зміна притаманне матерії в цілому і кожної її найдрібнішої частинки. Можна виділити наступні форми руху матерії:

- Нагрівання та охолодження тіл;

- Випромінювання світла;

- Електричний струм;

- Хімічні перетворення;

- Життєві процеси і т.д.

Форми руху характеризуються тим, що одні можуть переходити в інші, наприклад, механічний рух може переходити в теплове, теплове - у хімічне, хімічне - в електричне і т.д. Ці переходи свідчать про єдність і безперервного зв'язку якісно різних форм матерії. Але при всіх різноманітних переходах одних форм руху в інші дотримується основний закон природи - закон вічності матерії та її руху, який поширюється на всі види матерії і всі форми її руху: жоден з видів руху матерії і жодна з форм її руху не можуть бути отримані з нічого і перетворені на ніщо.

Молекули складаються з атомів. Можливі два види молекул: що містять однакові атоми і молекули, що містять два або більше різних атомів. Ці два види молекул мають різні назви:

- Елемент - складається з атомів тільки одного виду;

- З'єднання, або складна речовина, - складається з двох або більше різних атомів.

Один моль кожного індивідуального речовини володіє певним тепломісткості, так само, як і певною масою. Тепломісткість є мірою енергії, що накопичується речовиною під час його утворення. Тепловий ефект хімічної реакції дорівнює різниці між тепломісткості її продуктів реакції і тепломісткості реагуючих речовин. Якщо тепломісткість реагуючих речовин більше, ніж у продуктів реакції, то при такій хімічної реакції тепло виділяється і вона називається екзотермічної. Якщо ж тепломісткість продуктів реакції більше, ніж у реагуючих речовин, то при реакції тепло поглинається і така реакція називається ендотермічної.

Те, що в кожному індивідуальному речовині укладено певну кількість енергії, є поясненням теплових ефектів хімічних реакцій. Тепломісткість іноді називають хімічної енергією, тому що його величина тісно пов'язана з хімічним складом речовини.

Кожен атом має енергією, частина якої пов'язана з електронами і частина - з ядром. Електрони в атомі мають кінетичну енергію, і оскільки вони притягуються ядром і відштовхуються один від одного, то і потенційною енергією. Алгебраїчна сума кінетичної і потенційної енергій і становлять енергію, необхідну для відриву електрона від атомного ядра. Ядро ж кожного атома - колосальний джерело енергії, яка пов'язана із взаємодією ядерних частинок - нуклонів. Так як атомні ядра при хімічних реакціях не відчувають змін, енергія ядер не змінюється. Тому енергія ядер не входить в тепломісткість молекул.

При нагріванні твердої речовини збільшується кінетична енергія коливального руху молекул біля місць, займаних ними в кристалічній решітці. З підвищенням температури ці теплові коливання все більше порушують впорядковане будову кристала. Коли ж таке хаотичне тепловий рух молекул стає занадто швидким, кристалічна решітка повністю руйнується. При температурі, вище якої кінетична енергія частинок обумовлює настільки швидке хаотичний рух, що кристалічна решітка більше не може залишатися стійкою, відбувається фазовий перехід - плавлення твердого речовини.

У рідині кожна молекула має значно більшою свободою руху, особливо поступального і обертального. При нагріванні рідини молекулярний рух посилюється. Кінетична енергія обумовлює хаотичний рух, що приводить до розподілу молекул за якомога більшому обсягу. Тому із зростанням температури в міру збільшення енергії руху все більше число молекул може віддалятися з рідкої фази туди, де потенційна енергія мінімальна. При цьому відбувається інший фазовий перехід - випаровування рідини.

Якщо продовжувати нагрівати речовину, то наступить момент, коли кінетична енергія коливального, обертального і поступального рухів за величиною стане порівнянна з енергією хімічних зв'язків. Тоді молекули починають руйнуватися. З цієї причини на Сонці не виявлені молекули, що містять більше ніж два атома: тільки найпростіші, двоатомні молекули. Температура на Сонце настільки висока (6000 К), що більш складні молекули не можуть існувати.

Якщо далі продовжувати нагрівання, то врешті-решт досягається температура, при якій кінетична енергія настільки зростає, що руйнуються ядра. Тоді починаються ядерні реакції. Передбачається, що на деяких зірках існують умови, сприятливі для швидких ядерних реакцій. Витрати енергії при хімічних реакціях в 10-100 разів більше, ніж при фазових переходах.

ВИСНОВОК

За своїм фізичним змістом початок термодинаміки представляє собою закон збереження (зміни) енергії в термодинаміці. Якщо згідно з законом збереження енергії в механіці, робота неконсервативних сил дорівнює приросту механічної енергії системи (зокрема, робота дисипативних сил дорівнює зменшенню механічної енергії системи), то згідно першого початку термодинаміки, приріст внутрішньої енергії термодинамічної системи дорівнює сумі роботи всіх сил і енергії, переданої системі шляхом теплопередачі. Причому, ці сили (як і в механіці) можуть бути як зовнішніми, так і внутрішніми. Наприклад, у досвіді Джоуля, робота зовнішніх сил призводить до збільшення внутрішньої механічної енергії води в нерівноважному стані (виникнення в ній потоків), а робота внутрішніх сил тертя переводить цю механічну енергію у внутрішню теплову енергію води в рівноважному стані (кінетичну енергію мікроскопічного руху молекул води ). Мірою незворотності процесу в замкнутій системі є зміною нової функції стану - ентропії, існування якої у рівноважної системи встановлює перше положення другого початку про неможливість вічного двигуна другого роду. Однозначність цієї функції стану призводить до того, що кожен незворотний процес є нерівноважним.

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1. Горєлов А.А. Концепції сучасного природознавства: Учеб. посібник, практикум, хрестоматія / А.А. Горєлов. - М.: Владос, 2003. - 341 с.

2. Дубніщева Т.Я. Концепції сучасного природознавства: Підручник під ред. акад. Жукова М. Ф. 2-е вид. - М.: Маркетинг; Новосибірськ: ЮКЕА, 2000. - 832 с.: Іл.

3. Плотніков М.М. Концепції сучасного природознавства / М.Н. Плотніков. - М.: МГУ, 2004. - 680 с.

4. Хорошавін С.Г. Концепції сучасного природознавства: курс лекцій вид. 4-е / С.Г. Хорошавін .- Ростов-на-Дону: «Фенікс», 2005 .- 480с.