. Хаос, структура та порядок макросистем. Проблема теплової смерті
При зіткненні тіл процес теплопередачі відбувається спонтанно від гарячого тіла до холодного до тих пір, поки обидва тіла не будуть мати однакові температури. Всі спостерігали, як налитий в чашку гарячий чай поступово остигає, нагріваючи навколишнє повітря. Але ніхто не бачив, щоб теплий чай в чашці раптом закипів за рахунок охолодження навколишнього його повітря.
Процеси теплопередачі мимовільно здійснюють тільки в одному напрямку, тому їх називають необоротними процесами.
Завжди здійснюється теплопередача тепла від гарячого тіла до холодного, тому що рівномірний розподіл швидких і повільних молекул у двох сполучаються тілах є більш ймовірним, ніж такий розподіл, при якому в одному тілі будуть тільки «швидкі» молекули, а в іншому - тільки «повільні» .
Системи, що складаються з великого числа частинок, будучи надані самим собі, саме довільно переходять із станів менш ймовірних в стану більш імовірні.
Незворотність теплових процесів має імовірнісний характер. Мимовільний перехід тіла з рівноважного стану в нерівноважний не неможливий, а лише пригнічує малоймовірний. У кінцевому результаті незворотність теплових процесів обумовлюється колосальне число молекул, з яких складається тіло.
Молекули газу прагнуть до найбільш вірогідного стану, тобто стану з безладним розподілом молекул, при якому приблизно однакове число молекул рухається вгору і вниз, вправо і вліво, при якому в кожному обсязі знаходиться приблизно однакове число молекул, однакова частка швидких і повільних молекул у верхній і нижній частинах якого-небудь посудини. Будь-яке відхилення від такого безладу, хаосу, тобто від рівномірного і безладного перемішування молекул по місцях і швидкостям, пов'язано зі зменшенням ймовірності, або являє собою менш ймовірна подія. Навпаки, явища, пов'язані з перемішуванням, зі створенням хаосу з порядку, збільшують ймовірність стану. Тільки при зовнішньому впливі можливе народження порядку з хаосу, при якому порядок витісняє хаос. В якості прикладів, які демонструють порядок, можна навести створені природою мінерали, побудовані людиною великі і малі споруди або просто радують око своєрідні фігури.
У середині 19 століття активно обговорювалася проблема теплової смерті Всесвіту. Розглядаю Всесвіт як замкнуту систему і застосовуючи до неї другий початок термодинаміки, Р.Ю. Клаузіус звів його зміст до твердження, що ентропія Всесвіту повинна досягти свого максимуму. Це означає, що всі форми руху з часом повинні перейти в теплові. Перехід же теплоти від гарячих тіл до холодних призведе до того, що температура всіх тіл у Всесвіті зрівняється, тобто настане повне теплове рівновагу і всі процеси у Всесвіті припиняться - настане теплова смерть Всесвіту. Помилковість висновку про теплової смерті полягає в тому, що безглуздо застосовувати другий початок термодинаміки до незамкнутим системам, наприклад до такої безмежно розвивається системі, як Всесвіт.
Джерело електромагнітного поля пов'язаний з матеріальними носіями цієї властивості (наприклад електронами і протонами), називається електричним зарядом. Електричний заряд не залежить від системи відліку.
Носіями негативних зарядів в атомі є електрони, носіями позитивних зарядів - протони, що входять до складу ядер, атомів. Сума позитивних і негативних зарядів в атомі дорівнює нулю: заряди розподіляються таким чином, що атом у цілому є нейтральним.
У природі існує два типи електричних зарядів-позитивні і негативні. Однойменні заряди один від одного відштовхуються, різнойменні - притягуються. Дослідним шляхом встановлено, що електричний заряд дискретний, тобто заряд будь-якого типу становить ціле кратне від елементарного електричного заряду е (е = 1,6 • 10-19 Кл). Електрон (ті = 9,11 • 10-31кг) і протон mр = 1,67 • 10-27кг) є відповідно носіями елементарних негативного і позитивного зарядів.
Закон збереження заряду: алгебраїчна сума електричних зарядів будь-якої замкнутої системи (системи, не обмінюються зарядами з зовнішніми тілами) залишається незмінною, які б процеси не відбувалися всередині цієї системи.
Електричний заряд - величина релятивістськи інваріантна, тобто не залежить від системи відліку, а значить, не залежить від того, чи рухається даний заряд чи спочиває.
Одиниця електричного заряду - кулон (Кл) - це електричний заряд, що проходить через поперечний переріз провідника при силі струму 1 Ампер за 1 секунду.
Носіями зарядів у різних середовищах можуть бути електрони (наприклад, в металах), іони - частинки молекул або атомів мають позитивні і негативні заряди (наприклад в електролітах і газах), і моліони - колоїдні частинки в рідині мають заряди.
За модулю будь заряд кратний заряду електрона або протона.
Заряд протона дорівнює по модулю заряду електрона.
У просторі, що оточує електричний заряд, існує силове поле, зване електричним полем, тобто електричне поле створюється електричним зарядом. Електричне поле, створюване нерухомими електричними зарядами, прийнято називати електростатичним.
Досвід показує, що подібно до того, як у просторі, що оточує електричні заряди, виникає електромагнітне поле, так у просторі, що оточує струми і постійні магніти, виникає силове поле зване магнітним. Магнітне поле виявляється по силовому дії на внесені до нього провідники зі струмом або постійні магніти.
У 60-х роках XIX ст. англійський фізик Максвелл розвинув теорію Фарадея про електромагнітне поле і створив теорію електромагнітного поля. Це була перша теорія поля. Вона стосується тільки електричного і магнітного полів і вельми успішно пояснює багато електромагнітні явища. Корисно нагадати деякі основні ідеї, що лежать в основі даної теорії, і які з неї висновки.
Із закону Фарадея (закон електро-магнітної індукції) випливає, що будь-яка зміна зчепленого з контуром магнітного потоку призводить до виникнення електрорушійної сили (ЕРС) індукції і внаслідок цього з'являється індукційний струм. Отже, виникнення ЕРС електромагнітної індукції можливо і в нерухомому контурі, що знаходиться в змінному магнітному полі. Однак ЕРС в будь-який ланцюга виникає тільки тоді, коли в ній на носіїв струму діють сторонні сили, тобто сили не електростатичного походження. Тому виникає питання про природу сторонніх сил в даному випадку. Досвід показує, що такі сторонні сили не пов'язані ні з тепловими, ні з хімічними процесами в контурі; їх виникнення не можна також пояснити силами Лоренца, так як вони на нерухомі заряди не діють. Дж.Максвелла висловив гіпотезу, що всяке змінне магнітне поле збуджує в навколишньому просторі електричне поле, яке і є причиною виникнення індукційного струму в контурі. Згідно з поданням Максвелла, контур, в якому з'являється ЕРС, відіграє другорядну роль, будучи свого роду лише "приладом", виявляє це поле. Електричне поле, що порушується магнітним полем, як і саме магнітне поле, є вихровим.
Згідно Максвеллу, якщо всяке змінне магнітне поле збуджує в просторі вихровий електричне поле, то має існувати зворотне явище: всяка зміна електричного поля має викликати появу в навколишньому просторі вихрового магнітного поля. Для встановлення кількісних співвідношень між змінюються електричним полем і викликуваним їм магнітним полем Максвелл ввів в розгляд так званий струм зміщення, що володіє здатністю створювати в навколишньому просторі магнітне поле. Струм зміщення у вакуумі не пов'язаний з рухом зарядів, а обумовлюється тільки зміною електричного поля в часі і разом з тим збуджує магнітне поле - в цьому полягає принципово нове твердження Максвелла.
З рівнянь Максвелла випливає, що джерелами електричного поля можуть бути або електричні заряди, або змінюються в часі магнітні поля, а магнітні поля можуть порушуватися або рухомими електричними зарядами (електричними струмами), або змінними електричними полями. Рівняння Максвелла не симетричні щодо електричного і магнітного полів. Це пов'язано з тим, що в природі існують електричні заряди, але немає зарядів магнітних.
У стаціонарному випадку, коли електричне і магнітне поля не змінюються в часі, джерелами електричного поля є тільки електричні заряди, а джерелами магнітного - тільки струми провідності. У даному випадку електричне і магнітне поля незалежні один від одного, що і дозволяє вивчати окремо постійні електричні і магнітні поля.
Рівняння Максвелла - найбільш загальні рівняння для електричних і магнітних полів в покояться середовищах. У вченні про електромагнетизм вони відіграють таку ж роль, як закони Ньютона у механіці. З рівнянь Максвелла випливає, що змінне магнітне поле завжди пов'язане з породжуваним їм електричним полем, а змінне електричне поле пов'язане з породжуваним їм магнітним, тобто електричне і магнітне поля нерозривно пов'язані один з одним - вони утворюють єдине електромагнітне поле.
Довгий час вважалося, що взаємодія між тілами може здійснюватися безпосередньо через порожній простір, який не бере участі в передачі взаємодії, і передача взаємодії відбувається миттєво. Таке припущення складає сутність концепції дальнодії ..
Основоположник концепції дальнодії - французький математик фізик і філософ Рене Декарт. Багато вчених дотримувались цієї концепції аж до кінця XIX ст.
Експериментальні дослідження електромагнітних явищ показали невідповідність концепції дальнодії фізичній досвіду. Крім того, вона знаходиться в протиріччі з постулатом спеціальної теорії відносності, відповідно до якого швидкість передачі взаємодій тіл обмежена і не повинна перевищувати швидкість світла у вакуумі.
Було доведено, що взаємодія електрично заряджених тіл здійснюється не миттєво і переміщення однієї зарядженої частки призводить до зміни сил, що діють на інші частинки, не в той же момент, а лише через кінцевий час. Кожна електрично заряджена частка створює електромагнітне поле, що діє на інші заряджені частинки, тобто взаємодія передається через "посередника" - електромагнітне поле. Швидкість поширення електромагнітного поля дорівнює швидкості світла у порожнечі - приблизно 300 000 км / с. Це і складає сутність нової концепції - концепції блізкодействія, яка поширюється не тільки на електромагнітне, але і на інші види взаємодій.
Основні характеристики коливальних і хвильових процесів. Типи коливань і хвиль. Резонанс.
Джерело коливання хвиль - коливальні системи, в них порушуються коливання і вони їх поширюють в навколишній простір. Коливання - періодично повторюються руху або зміни. V = 1 / T - частота. Амплітуда - макс .. відхилення від положення рівноваги. Фаза коливань - це деяка хар-ка, яка визначає, з якого моменту часу ми розглядаємо коливання. Коливання містять у собі запас енергії (кінетичної і потенційної). Потенційна енергія характеризує відхилення тіла від положення рівноваги або нейтрального положення.
Класифікація коливань:
за природою коливання
механічні (період переміщення тіл, зміни його форми та об'єму)
електричні (коливання зарядів або струмів)
пружні!
поверхневі (на поверхні поділу вода-повітря) -> гравітаційні (тому що викликані притяганням Землі)
за характером коливань будь-якої природи
гармонійні (= ідеальні) Не сущ. У природі.
Затухаючі (прекращ. З плином часу
вимушені (вони відбуваються під дією періодичної зовнішньої сили)
параметричні (періодично змінюють св-ва коливальної системи)
автоколивання (години, людське серце, робота радіопередавача)
лінійні (щодо малої амплітуди)
нелінійні (не ім. загальної теорії про них) = реальні коливання
Вимушені коливання
Резонанс - це явище сильного збільшення амплітуди вимушених коливань, коли частота зовнішньої змушує силою стає дорівнює власній частоті коливальної системи. При резонансу змушує сила протягом всього періоду коливання спрямована в ту ж сторону, що і вектор швидкості коливного тіла. Тому вона весь час робить позитивну роботу, збільшуючи амплітуду коливань тіла. При розбіжності частоти допустимої сили і власної частоти коливань тіла протягом однієї частини періоду сила здійснює позитивну роботу, збільшуючи енергію тіла, а протягом іншої частини періоду та ж сила робить негативну роботу, зменшуючи енергію тіла. При відсутності тертя і опору повітря амплітуда коливань могла б зростати необмежено, але в реальних умовах амплітуда сталих коливань визначається рівністю втрат енергії і роботи допустимої сили за період коливань. Чим менше буде тертя і опір, тим яскравіше буде виражений резонанс.
Хвилі - це коливання, які поширюються в просторі. Вони бувають біжать і стоячими. Передаються від однієї точки до іншої. Довжина хвилі - це відстань, на яку распростран. Коливання за її 1 період, залежить від характеру самих коливань і від св-в середовища. Швидкість поширення хвилі буває фазова та групова (та скоторим, з якою передається енергія з хвилею від однієї точки до іншої. Поляризація хвиль - це співвідношення між двома напрямками: в якому відбуваються коливання у хвилі і напрямком розповсюдження хвилі. Поздовжні хвилі - ці два напрямки збігаються (звукові). Поперечні хвилі - коливання відбуваються перпендикулярно до напрямку поширення хвилі (світло). Змішані хвилі = поздовжні і поперечні. Хвильове поле - це обл. простору, в якому поширюються хвилі. Фазова (хвильова) поверхня - це поверхня, на якій колеб. руху хвилі мають одну і ту ж фазу. Відстань між сусідніми хвильовими поверхнями, у яких фази розрізняються на 2п - довжина хвилі.
Інтерференція хвиль (когерентні) - це результат положення або суперпозиції когерентних хвиль (у них різниця фаз залишається const з плином часу, їхня умова - однаковість частот).
При підготовці цієї роботи були використані матеріали з сайту http://www.studentu.ru