Лекция 2. Фундаментальные законы природы, лежащие в основе современной экологии.

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 14Следующая ⇒

План:

2. 1 Основные понятия. Материя и энергия.

2.2 Закон сохранения энергии.

2.3 Законы термодинамики и понятие энтропии.

2.4. Законы изменения энтропии в закрытых и открытых системах

2.5. Основы синергетики и принципы универсального эволюцилонизма.

Понятие материи. Материальным является все, что существует независимо от нашего сознания и существования.

Кратким определением: материя – это объективная реальность, данная нам в ощущениях.

Понятие энергии.

Под энергией понимают способность материи совершать работу.

Способность материи совершать работу проявляется в ее косвенном (по результату) или непосредственном воздействии на наши органы чувств, что приводит к формированию строго определенных ощущений.

А так как наши ощущения – результат воздействия материального мира на наши органы чувств (т.е. результат работы), то материя и энергия неразрывны по самому определению материи.

В физике Энергией называется способность какого-либо тела или системы совершать работу.

При этом системой называется совокупность объектов (предметов и/или явлений), объединенных единым процессом.

Процесс, объединяющий компоненты в элементарную систему может быть необратимым. Например: система, состоящая из органического вещества – целлюлозы (спичка) и кислорода, объединенных необратимой химической реакцией (горения) превращения их в углекислый газ, минеральные соли и пары воды. Такая система, образованная необратимым процессом, будет называться незамкнутой.

Если процесс, объединяющий компоненты в систему является обратимым или циклическим - система замкнутая.

Процесс, необратимый в рамках данной элементарной системы, может оказаться циклически обратимым в рамках одной из надсистем более высокой иерархии. А так как все процессы, в какой бы форме они ни протекали, - это в итоге процессы перехода и превращения энергии, то, по сути, все материальные системы являются замкнутыми.

Все материальные системы, как естественного природного происхождения, так и созданные человеком, в той или иной степени взаимодействуют с внешними по отношению к системе объектами, то есть являются открытыми и составляют вместе с этими «внешними» объектами более сложную систему или надсистему, по отношению к которой будут являться подсистемой. Поэтому процесс, необратимый в рамках данной элементарной системы, может оказаться обратимым в рамках одной из надсистем более высокой иерархии.

Широкое использование в физических исследованиях наряду с реальными и модельными экспериментами экспериментов мысленных, позволяющих изучить закономерности исследуемого явления «в чистом виде» (мысленно исключив результат всех побочных воздействий на течение процесса), привело к формированию понятия замкнутой закрытой системы – системы полностью изолированной от взаимодействия с окружающим миром.

Естественно, понятие замкнутой закрытой системы является идеальным, так как полностью изолированная система может существовать только в нашем сознании (представлении).

Известно, что работа в физике — это действие приложенной к телу силы на каком-то отрезке пути А = FS (F – сила, S - расстояние, А - работа).

Способность совершать работу, то есть энергия может приобретаться системой двумя путями. Отсюда понятия о видах энергии: потенциальной энергии и кинетической энергии.

Потенциальную энергию тело или система приобретают в результате работы, совершенной против действия какой-либо силы. Например, для того чтобы тело приобрело потенциальную энергию, его нужно поднять на определенную высоту, т. е. совершить работу против силы тяжести.

Кинетическая энергия приобретается в процессе движения (процессе работы) тел или систем обладающих массой и зависит от скорости этого движения

Такой энергией обладает брошенный камень. Можно сказать, что кинетическая энергия есть энергия движущегося тела.

В процессе развития физики как естественной науки выявился целый ряд противоречий между причинно-следственными связями в различных явлениях материального мира. Это привело к временному условному делению объектов изучения на явления макромира, микромира и мегамира.

1. МЕГАМИР - мир космических скоростей и масштабов.

2. МАКРОМИР - мир объектов, соизмеримых с масштабом человеческого опыта.

3. МИКРОМИР - мир предельно малых объектов. Относится изучение элементарных частиц, входящих в состав атома.

В результате, главной задачей современной физики стало открытие законов, общих для всех этих явлений.

Одним из важнейших открытий в природе микромира оказался принцип неопределенности, в соответствии с которым одинаковые частицы в одинаковых условиях ведут себя по-разному. То есть, выяснилось, что случайность событий – это не отсутствие знания конкретной причины данного следствия, а неотъемлемое свойство материи. В то же время процессы, происходящие в микромире, подчиняются статистическим закономерностям: если при воздействии на одинаковые частицы одних и тех же сил определить местоположение и состояние конкретной частицы нельзя, то наиболее вероятное местоположение и состояние большинства этих частиц будет закономерным. В явлениях макромира эти статистические закономерности часто приобретают характер абсолютной причинно-следственной зависимости, что, однако, не исключает, а, наоборот, предусматривает возможность абсолютно случайных отклонений от этой зависимости. Так как в соответствии с принципом неопределенности все частицы материального микромира находятся в постоянном беспорядочном движении, каждая частица обладает приобретенной в процессе этого движения кинетической энергией. В силу хаотичности (беспорядочности) этого движения частицы неизбежно сталкиваются друг с другом, обмениваясь порциями своей кинетической энергии. При этом кинетическая энергия одной из столкнувшихся частиц увеличивается, а другой уменьшается, тогда как сумма их кинетических энергий остается неизменной.

Следовательно, суммарное количество энергии материального мира неизменно, оно не может ни увеличиться, ни уменьшится. Этот вывод получил название закона сохранения и превращения энергии.

Закон сохранения и превращения энергии является наиболее фундаментальным и разработанным законом природы. Он констатирует тот факт, что энергия материального мира постоянна, она не может возникнуть из ничего, или исчезнуть в никуда. Поскольку микромир элементарных частиц неоднороден, между частицами возможны взаимодействия разной природы и разной силы (например: взаимное притяжение разноименно заряженных и взаимное отталкивание одноименно заряженных частиц и др.). Некоторые частицы за счет высокой кинетической энергии, приобретенной в ходе столкновений или движения под действием какой-то силы (например, по действием сил гравитации), совершают работу против действия сил отталкивания положительно заряженных протонов, объединяя их в ядро нового более крупного атома и создавая запас потенциальной энергии в атомной форме. Аналогичная работа возможна и против сил взаимного притяжения разноименно заряженных частиц, создавая напряжение, потенциальную энергию в электрической форме. Работа против действия сил, мешающих объединению электронов в единую атомную структуру приводит к формированию запаса потенциальной энергии и работе по формированию химических связей в молекулах (химическая форма энергии).Беспорядочное колебательное движение частиц в составе атомов в строго определенной силами взаимодействия зоне вызывают распространения в пространстве волн различной длины и различной работоспособности (энергия электромагнитных излучений). Поэтому при неизменной количестве энергии материального мира, эта энергия постоянно переходит из одного вида или формы в другой вид или форму энергии. Закон сохранения энергии свидетельствует о неуничтожимости движения и материи, существовании взаимных превращений между видами энергии и движения, невозможности создания чего-либо из ничего. Он объясняет природу механической работы и справедлив для всех явлений природы.

Благодаря открытию закона сохранения энергии были сделаны новые ценные открытия, созданы механизмы и устройства нового типа, приведены в единую систему физические представления о мире. Закон имеет исключительное значение для естествознания, поскольку на нем основаны основные положения современной физики, химии, прочих смежных наук. Все знания о веществе, разного рода превращениях, феноменах и процессах опираются на представления о сохранении энергии. Одновременно этот закон объединяет и разные виды и формы энергии: лучистую, ядерную, электромагнитную, механическую, химическую, тепловую и т.д.

Закон этот неукоснительно соблюдается во всей бесконечной Вселенной. Замедление времени, искривление пространства, сверхтекучесть и сверхпроводимость, а также прочие физические «штучки», нарушающие привычные представления о мире, на закон сохранения не распространяются. Он универсален. Если какие-то расчеты показывают, что энергия берется из ниоткуда или уходит в никуда, значит они просто неверны. Закон сохранения при всей своей простоте непоколебим и категоричен. Исключений из него не существует и не может существовать даже чисто предположительно!

Невозможно представить себе случай, когда закон сохранения не действовал бы.

Обобщенная формулировка закона гласит: Внутри замкнутой закрытой системы энергия передается от одного тела к другому, претерпевая превращения и принимая новые формы. Количество ее всегда остается неизменным.

Так как все процессы, в какой бы форме они ни протекали, - это в итоге процессы перехода и превращения энергии, то, по сути, все материальные системы являются замкнутыми. Смысл закона заключается в том, чтобы следить за приходом и расходом энергии внутри выбранной системы.

Частный вариант закона — для механики — утверждает, что полная механическая энергия всех тел системы остается неизменной.

Для объяснения смысла закона сохранения механической энергии обратимся к связи между работой и потенциальной и/или кинетической энергией.

Тела взаимодействуют друг с другом механически (как шестеренки в часах) и при этом передают друг другу энергию. Передача ее и взаимодействие такого рода называется механическим процессом. Не участвующие в процессе тела, если они как-то иначе влияют на систему, изменяют ее энергию. Но тела внутри системы этого не могут: количество энергии постоянно при чисто механическом процессе.

Пока тело (система) не совершает никакой работы, его энергия переходит из потенциальной в кинетическую, и - наоборот, — до бесконечности (пример: идеальный маятник)

Но любое взаимодействие порождает расход энергии тела. Кинетическая энергия уменьшается, переходя в работу, то же самое может произойти и с потенциальной энергией. Полная энергия тела или системы тел, как несложно понять, равна сумме их кинетической и потенциальной энергии.

Поэтому как бы ни менялось количество кинетической и потенциальной энергий, полная энергия неизменна. Именно это и утверждает закон сохранения механической энергии. В системе она лишь передается от тела к телу. Способ передачи механической энергии — это и есть работа, которая всегда равна величине изменения энергии. Физики формулируют это утверждение так: работа служит мерой передачи энергии при механических процессах.

Нет такого механизма, который бы давал «выигрыш» работе. Нельзя из бензобака получить больше энергии, чем там есть! Нельзя извлечь больше энергии из атомного реактора, чем это возможно.

Поэтому как бы ни менялось количество кинетической и потенциальной энергий, полная энергия неизменна. Именно это и утверждает закон сохранения механической энергии. В системе она лишь передается от тела к телу. Способ передачи механической энергии — это и есть работа, которая всегда равна величине изменения энергии. Физики формулируют это утверждение так: работа служит мерой передачи энергии при механических процессах.

Потенциальная и кинетическая энергия могут проявляться в различных формах механической, химической, электрической, тепловой, атомной. При этом все эти формы могут переходить друг в друга и в конечном итоге в механическую работу и/или тепловую энергию, т. е. в макромире возможны принципиально только 2 способа перехода энергии в другую форму: через тепловую форму энергии или через тепловую энергию и механическую работу. В связи с вышесказанным закономерности превращения тепловой энергии в другие формы энергии и работы носят всеобщий характер. Этим объясняется революционное научное значение законов термодинамики – науки, изучающей тепловые и энергетические проявления в любых физических процессах.

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒