Диаграммы состояния

6. Дайте понятия об обратимых и необратимых процессах. Приведите примеры. Как строится термодинамика открытых систем? Дайте представление о прямой и обратной связи в сложных системах.

Процесс перехода системы из состояния 1 в 2 называется  обратимым, если возвращением этой системы в исходное состояние из 2 в 1 можно осуществить без каких бы то ни было изменений окружающих внешних телах.

Процесс же перехода системы из состояния 1 в 2 называется  необратимым, если обратный переход системы из 2 в 1 нельзя осуществить без изменения в окружающих телах .

Мерой необратимости процесса в замкнутой системе является изменением новой функции состояния - энтропии, существование которой у равновесной системы устанавливает первое положение второго начала о невозможности вечного двигателя второго рода. Однозначность этой функции состояния приводит к тому , что всякий необратимый процесс является неравновесным.    Из второго начала следует, что  S  является однозначной функцией состояния.

Это означает, что  dQ/T  для любого кругового равновесного процесса равен нулю. Если бы это не выполнялось, т.е. если бы энтропия была неоднозначной функцией состояния то, можно было бы осуществить вечный двигатель второго рода. Положение о существовании у всякой термодинамической системы новой однозначной функцией состояния энтропии  S, которая при адиабатных равновесных процессах не изменяется и составляет содержание второго начала термодинамики для равновесных процессов.

Математически второе начало термодинамики для равновесных процессов записывается уравнением:

                   dQ/T = dS     или      dQ = TdS          

Интегральным уравнением второго начала для равновесных круговых процессов является равенство Клаузиуса :

                                               dQ/T = 0           

Для неравновесного кругового процесса неравенство Клаузиуса имеет следующий вид:                                              dQ/T  <  0            

  Теперь можно записать основное уравнение термодинамики для простейшей системы находящейся под всесторонним давлением :

                                 TdS = dU + pdV           

Открытые системы - это термодинамические системы, которые обмениваются с окружающими телами (средой), веществом, энергией и импульсом. Если отклонение открытой системы от состояния равновесия невелико, то неравновесное состояние можно описать теми же параметрами (температура, химический потенциал и другие), что и равновесное[4]. Однако отклонение параметров от равновесных значений вызывают потоки вещества и энергии в системе. Такие процессы переноса приводят к производству энтропии. Примерами открытых систем являются: биологические системы, включая клетку, системы обработки информации в кибернетике, системы энергоснабжения и другие. Для поддержания жизни в системах от клетки до человека необходим постоянный обмен энергией и веществом с окружающей средой. Следовательно, живые организмы являются системами открытыми, аналогично и с другими приведенными параметрами.

7. Когда возникает металлическая связь? Дайте представление о теории металлов, полупроводниках, диэлектриках и изоляторах.

Металлы объединяют свойства, имеющие общий характер и отличающиеся от свойств других веществ. Такими свойствами являются сравнительно высокие температуры плавления, способность к отражению света, высокая тепло- и электропроводность. Эти особенности обязаны существованию в металлах особого вида связи — металлической связи.

Металлическая связь - связь между положительными ионами в кристаллах металлов, осуществляемая за счет притяжения электронов, свободно перемещающихся по кристаллу. В соответствии с положением в периодической системе атомы металлов имеют небольшое число валентных электронов. Эти электроны достаточно слабо связаны со своими ядрами и могут легко отрываться от них. В результате в кристаллической решетке металла появляются положительно заряженные ионы и свободные электроны. Поэтому в кристаллической решетке металлов существует большая свобода перемещения электронов: одни из атомов будут терять свои электроны, а образующиеся ионы могут принимать эти электроны из «электронного газа». Как следствие, металл представляет собой ряд положительных ионов, локализованных в определенных положениях кристаллической решетки, и большое количество электронов, сравнительно свободно перемещающихся в поле положительных центров. В этом состоит важное отличие металлических связей от ковалентных, которые имеют строгую направленность в пространстве.

Металлическая связь отличается от ковалентной также и по прочности: ее энергия в 3-4 раза меньше энергии ковалентной связи.

Энергия связи — энергия, необходимая для разрыва химической связи во всех молекулах, составляющих один моль вещества. Энергии ковалентных и ионных связей обычно велики и составляют величины порядка 100-800 кДж/моль.

8. Поясните, как распределяется на земле солнечная энергия. Дайте понятие о негэнтропии солнечного излучения.

Наибольшее значение для биосферы Земли имеет солнечная энергия, которая возбуждает движение атмосферы и океанических течений, поддерживает все жизненные процессы. Каменный уголь и нефть есть не что иное, как солнечная ископаемая энергия. Поток речной воды, сбегающий вниз к морю, рожден солнечным теплом, которое испарило воду с океана. Солнечная энергия воспринимается автотрофными организмами и обуславливает возможность тpансфоpмации ими неорганической субстанции: горных пород, минералов, элементов, входящих в состав воды и воздуха в органическое живое вещество. Солнечная энергия имеет решающее значение в жизни экосистем.

Каждую секунду Солнце излучает примерно 4*10²⁶ Дж, причем вся энергия приходится на длины волн между 0,2 и 4 мкм. Около 40 % энергии попадает на видимую часть спектра (0,4-0,67 мкм). При этом на долю Земли приходится весьма ничтожная, примерно одна двухмиллиардная часть энергии Солнца. Средний поток энергии Солнца на расстоянии среднего радиуса орбиты Земли называется солнечной постоянной, имеющий величину 1,376 кВт/м². Этого достаточно, чтобы с диска диаметром в 1 м в космосе собрать солнечную энергию, которая обеспечит работу электронагревателя в 1 кВт!

Рассматривая влияние космоса на развитие биосферы Земли и ее экологических систем, пpавомеpно вычленить следующие наиболее значимые факторы: гравитацию, приход на Землю космического вещества и солнечное излучение. В конечном счете, основной движущей силой закономерной смены динамических процессов в атмосфере и океане является тепловая машина, которая приводится в движение Солнцем. А все типы зональности обусловлены неравномерным распределением притока солнечной энергии на поверхность Земли, в том числе и океана, что вызывает перенос и перераспределение масс в атмосфере, гидросфере и литосфере.

Распределение тепла как на всем земном шаре, так и в Мировом океане весьма неравномерно учеными подсчитано, что к верхней границе атмосферы Земли приходит в среднем около 2 кал/см²/мин. Из них 30% рассеивается и лишь 70% достигает поверхности воды или суши, что составляет примерно 140 ккал/см²/год. Поверхностью океана поглощается примерно 90 ккал, а суши еще меньше всего - 50 ккал. Однако эти величины отличаются в разных местах и зависят от широты, облачности и других факторов, включая все увеличивающуюся запыленность атмосферы.

Сильные различия в распределении количества тепла на разных широтах между экватором и полюсами обуславливают на поверхности Земли хорошо выраженную широтную климатическую зональность. Дальневосточные моря, как и Балтийское, расположены в пределах северной умеренной или бореальной зоны. Для этой зоны характерны значительные сезонные колебания температуры воздуха и воды при преобладании положительных ее значений, а также резко выраженная сезонная цикличность всех биологических процессов.

9. Поясните смысл гипотезы Планка о дискретном характере испускания света. Насколько были решены при этом противоречия в теории теплового излучения?

В конце прошлого столетия у естествоиспытателей начало складываться впечатление, что изучение фундаментальных закономерностей, лежащих в основе научной картины мира, близко к завершению. Это мнение основывалось на несомненных успехах классического естествознания, "подправленного" релятивистской теорией. Учет последней хотя и приводил к несколько неожиданным результатам, но не затрагивал укоренившегося представления о том любая реально существующая система может быть в принципе рассчитана с любой точностью и ее развитие во времени может быть исчерпывающим образом прогнозировано. Вне всякого сомнения, представители точных наук конца 19 века были далеки от попыток рассчитать поведение кошки на основе классической механики и электродинамики, но склонялись к мысли, что трудности подобного расчета носят чисто технический характер.

Как "рождается" свет? Ответ на это вопрос казался физиками 19-го века достаточно простым:

Свет - электромагнитная волна, которая излучается колеблющимся в атоме электроном. По теории получалось, что излучать атом должен на всех частотах, но больше всего энергии излучается на высоких частотах (в "ультрафиолетовом диапазоне"). Расчеты показывали, что из-за этого свойства атом должен был излучать ультрафиолет и за очень короткое время излучить всю свою энергию, а излучающее тело при этом должно было резко остыть.

Конечно, ничего подобного на опыте не наблюдалось: тела хорошо излучают на определенной частоте и плохо излучают на низких и высоких частотах, никакого остывания тел не наблюдается. Это расхождение теории и практики было красиво названо "ультрафиолетовая катастрофа".

Для решения проблемы немецкий физик Макс Планк в 1900 г. высказал предположение (гипотезу) о том, что свет должен излучаться порциями (квантами). Энергии порции прямо пропорциональна частоте световой волны E=h, где h - постоянная Планка,  - частота света.

Энергия порции (кванта) очень мала, например для видимого излучения она примерно равна 10-19Дж. Поэтому для измерения таких энергий удобно использовать другую единицу энергии, которая называется электрон-вольт (1эВ). 1эВ - энергия, которую приобретает электрон прошедший ускоряющую разность потенциалов в 1В. 1эВ=1,6*10-19Дж[5].

Постоянная Планка - фундаментальная константа, которая характеризует микромир, h=6,62*10-34Дж*с. При этом Планк считал, что свет только рождается неделимыми порциями, а "живет" (распространяется), как обычная электромагнитная волна.

М. Планк выдвинул гипотезу, что при тепловом излучении энергия испускается и поглощается не непрерывно, а отдельными квантами (порциями).

Квант электромагнитного излучения, относящийся к оптическому диапазону спектра, называют Фотоном. Масса покоя фотона равна нулю. Фотон существует только, распространяясь со скоростью Света. Если его остановить каким–либо способом, то он исчезнет. Но фотон, обладающий достаточной энергией, может при этом порождать частицы, имеющие массу покоя, например пару электрон–позитрон (позитрон – это положительно заряженный электрон).

Проследим цепочку фотона – движется – масса есть – остановился – массы нет, и исчез в неизвестном направлении – не имея массы, родил детей с массой. Читаешь и диву даешься, как такое могло быть возведено в ранг великой науки и просуществовать столетие? "… На характер протекания фотоэффекта оказывает влияние разная энергия фотонов…" Фотоны с разной энергией не могут достигнуть скорости Света, то есть не могут существовать в свете вышесказанного утверждения.

Мы уже знаем, что Свет – это веревки из нейтронов имеющие свои магнитные поля. Свет имеет различную скорость. Нейтрон в заторможенном состоянии носитель тепла. Нейтрон в структуре ежика – составляющая химического элемента. Скорость Света определяет цвет материала, среды и т.д. Теперь вспомним главное – это то, что Свет разгоняется нейтронной (ядерной) силой пятерок направленных в одну сторону. Это возможно только при формировании веревок с магнитными полями. Для формирования веревок нужно иметь поток нейтронов из зоны высокой плотности в зону с низкой плотностью – это обычно окружающая среда.

Излучение твердых тел при помощи нагрева – это формирование веревок Света из нейтронов, полученных в результате частичного разрушения ежей кристаллической решетки тела, при направленном потоке последних из зоны высокой плотности носителей в низкую с включением нейтронного (ядерного) разгонного механизма. Мощность разгонного механизма определяется закруткой нейтронов. Чем выше температура – тем больше закрутка нейтронов – тем больше скорость Света и сдвиг цвета от красного в сторону фиолетового для данного тела. Спирали и другие тела, излучающие Свет в результате нагрева платят за это разрушением своей кристаллической решетки. Никакое электромагнитное излучение на основе нейтрино не может перейти в видимый Свет, который формируется на основе нейтронов.

Все теории о квантово оптических явлениях оказались не более чем версиями.

10. Каково строение Солнца и его атмосферы? Каковы проявления и закономерности солнечной активности? В каком состоянии находится солнечное вещество? Каков состав солнечного излучения? Что такое солнечный ветер? Как он проявляется на Земле?

Внутреннее строение Солнца определено в предположении, что оно является сферически симметричным телом и находится в равновесии. Уравнение переноса энергии, закон сохранения энергии, уравнение состояния идеального газа, закон Стефана-Больцмана и условия гидростатического, лучистого и конвекционного равновесия вместе с определяемыми из наблюдений значениями полной светимости, полной массы и радиуса Солнца и данным о его химическом составе дают возможность построить модель внутреннего строения Солнца. Полагают, что содержание водорода в Солнце по массе около 70%, гелия около 27%, содержание всех остальных элементов около 2,5%. На основании этих предположений вычислено, что температура в центре Солнца составляет 10-15*10⁵⁶ К, плотность около 1,5*10⁵⁵ кг/м. Считается, что источником энергии, пополняющим потери на излучение и поддерживающим высокую температуру Солнца, являются ядерные реакции, происходящие в недрах Солнца. Среднее количество энергии, вырабатываемое внутри Солнца, составляет 1,92 эрг/г/сек. Выделение энергии определяется ядерными реакциями, при которых водород превращается в гелий. На Солнце возможны две группы термоядерных реакций: так называемый протон-протонный (водородный) цикл и углеродный цикл (цикл Бете). Наиболее вероятно, что на Солнце преобладает протон-протонный цикл, состоящий из трёх реакций, в первой из которых из ядер водорода образуются ядра дейтерия (тяжёлый изотоп водорода, атомная масса; во второй из ядер водорода образуются ядра изотопа гелия с атомной массой 3 и, наконец, в третьей из них образуются ядра устойчивого изотопа гелия с атомной массой 4.

Перенос энергии из внутренних слоёв Солнца в основном происходит путём поглощения электромагнитного излучения, приходящего снизу, и последующего переизлучения. В результате понижения температуры при удалении от Солнца постепенно увеличивается длина волны излучения, переносящего большую часть энергии в верхние слои. Перенос энергии движением горячего вещества из внутренних слоёв, а охлаждённого внутрь (конвекция) играет существенную роль в сравнительно более высоких слоях, образующих конвективную зону Солнца, которая начинается на глубине порядка 0,2 солнечных радиуса и имеет толщину около 1058 м. Скорость конвективных движений растёт с удалением от центра Солнца и во внешней части конвективной зоны достигает (2-2,5)х1053 м/сек. В ещё более высоких слоях (в атмосфере Солнца) перенос энергии опять осуществляется излучением. В верхних слоях атмосферы Солнца (в хромосфере и короне) часть энергии доставляется механическими и магнитогидродинамическими волнами, которые генерируются в конвективной зоне, но поглощаются только в этих слоях. Плотность в верхней атмосфере очень мала, и необходимый отвод энергии за счёт излучения и теплопроводности возможен только, если кинетическая энергия этих слоёв достаточно велика. Наконец, в верхней части солнечной короны большую часть энергии уносят потоки вещества, движущиеся от Солнца, так называемый солнечный ветер. Температура в каждом слое устанавливается на таком уровне, что автоматически осуществляется баланс энергии: количество приносимой энергии за счёт поглощения всех видов излучения, теплопроводностью или движением вещества равно сумме всех энергетических потерь слоя. Полное излучение Солнца определяется по освещённости, создаваемой им на поверхности Земли, - около 100 тыс. лк, когда Солнце находится в зените. Вне атмосферы на среднем расстоянии Земли от Солнца освещённость равна 127 тысяч лк. Сила света Солнца составляет 2,84*10527 свечей. Количество энергии, приходящее в одну минуту на площадку в 1 см, поставленную перпендикулярно солнечным лучам за пределами атмосферы на среднем расстоянии Земли от Солнца, называют солнечной постоянной. Мощность общего излучения Солнца - 3,83o10526 ватт, из которых на Землю попадает около 2*10517 ватт, средняя яркость поверхности Солнца (при наблюдении вне атмосферы Земли) составляет 1,98*1059 нт, яркость центра диска Солнца - 2,48*1059 нт. Яркость диска Солнца уменьшается от центра к краю, причём это уменьшение зависит от длины волны, так что яркость на краю диска Солнца для света с длиной волна 3600А составляет 0,2 яркости его центра, а для 5000А - около 0,3 яркости центра диска Солнца. На самом краю диска Солнца яркость падает в 100 раз на протяжении менее одной секунды дуги, поэтому граница диска Солнца выглядит очень резкой.