Вопросы.
Поясните понятие обратимого и необратимого процесса. Какие процессы называются квазистатическими? Приведите примеры.
Почему для практического анализа реальных процессов используют энтропию, а не термодинамическую вероятность?
От чего зависит агрегатное состояние вещества? Каким образом эта зависимость изображается?
Что определяет главное квантовое число? Какие значения оно может принимать? Эффект Доплера. Поясните понятия “фронт волны” и “волновая поверхность”.
Поясните корпулярно-волновые свойства материи. Как исторически развивались эти идеи?
Как вы понимаете слова Ричарда Феймана: “Микротела не похожи ни на что, из того, что вам хоть когда-нибудь приходилось видеть”?
В ходе каких процессов возникли тяжелые элементы, из которых построены планеты Солнечной системы, Земля и тела живых организмов?
10. В ходе каких процессов звезда начинает свое существование? Ответы.
1. Первый закон термодинамики не устанавливает направления тепловых процессов. Однако, как показывает опыт, многие тепловые процессы могут протекать только в одном направлении. Такие процессы называютсянеобратимыми. Например, при тепловом контакте двух тел с разными температурами тепловой поток всегда направлен от более теплого тела к более холодному. Никогда не наблюдается самопроизвольный процесс передачи тепла от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой. Следовательно, процесс теплообмена при конечной разности температур является необратимым. Обратимымипроцессами называют процессы перехода системы из одного равновесного состояния в другое, которые можно провести в обратном направлении через ту же последовательность промежуточных равновесных состояний. При этом сама система и окружающие тела возвращаются к исходному состоянию.
Процессы, в ходе которых система все время остается в состоянии равновесия, называютсяквазистатическими. Все квазистатические процессы обратимы. Все обратимые процессы являются квазистатическими.
Если рабочее тело тепловой машины приводится в контакт с тепловым резервуаром, температура которого в процессе теплообмена остается неизменной, то единственным обратимым процессом будет изотермический квазистатический процесс, протекающий при бесконечно малой разнице температур рабочего тела и резервуара. При наличии двух тепловых резервуаров с разными температурами обратимым путем можно провести процессы на двух изотермических участках. Поскольку адиабатический процесс также можно проводить в обоих направлениях (адиабатическое сжатие и адиабатическое расширение), то круговой процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат (цикл Карно)является единственным обратимым круговым процессом, при котором рабочее тело приводится в тепловой контакт только с двумя тепловыми резервуарами. Все остальные круговые процессы, проводимые с двумя тепловыми резервуарами, необратимы.
Необратимыми являются процессы превращения механической работы во внутреннюю энергию тела из-за наличия трения, процессы диффузии в газах и жидкостях, процессы перемешивания газа при наличии начальной разности давлений и т. д. Все реальные процессы необратимы, но они могут сколь угодно близко приближаться к обратимым процессам. Обратимые процессы являются идеализацией реальных процессов.
2. Для объяснения направленности процессов в природе вводят понятие термодинамической вероятности(W)-число комбинаций отдельных элементов системы, или число микросостояний, с помощью которых реализуется это состояние.
Термодинамическая вероятность системы, состоящей из двух частей с термодинамическими вероятностямиW1 и W2cоответственно, равна произведению термодинамической вероятностей частей системыW=W1W2.
Логарифмическая функция превращает произведение в сумму ln=ln W1+lnW2. Поэтому для практического анализа используют не термодинамическую вероятность, а энтропию.
3. Агрегатные Состояния вещества(от лат. Aggrego –присоединяю, связываю), состояния одного и того же вещества, переходы между которыми сопровождаются скачкообразным изменением его свободной энергии, энтропии, плотности и других физических свойств. Все вещества (за некоторым исключением) могут существовать в трёх агрегатных состояниях — твёрдом, жидком и газообразном. Так, вода при нормальном давлении p= 10l 325 Па=760 мм ртутного столба и при температуре t=00 С. кристаллизуется в лёд, а при 100°С кипит и превращается в пар. Четвёртым агрегатным состоянием вещества часто считают плазму. Агрегатное состояние вещества зависит от физических условий, в которых оно находится, главным образом от температуры и от давления. Определяющей величиной является отношение средней потенциальной энергии взаимодействия молекул к их средней кинетической энергии. Так, для твёрдого тeла это отношение больше 1, для газов меньше 1, а для жидкостей приблизительно равно 1. Переход из одного агрегатного состояния вещества в другое сопровождается скачкообразным изменением величины данного отношения, связанным со скачкообразным изменением межмолекулярных расстояний и межмолекулярных взаимодействий. В газах межмолекулярные расстояния велики, молекулы почти не взаимодействуют друг с другом и движутся практически свободно, заполняя весь объём. В жидкостях и твёрдых телах —конденсированных средах — молекулы (атомы)расположены значительно ближе друг к другу и взаимодействуют сильнее. Это приводит к сохранению жидкостями и твёрдыми телами своего объёма. Однако, характер движения молекул в твёрдых телах и жидкостях различен, чем и объясняется различие их структуры и свойств. У твёрдых тел в кристаллообразном состоянии атомы совершают лишь колебания вблизи узлов кристаллической решётки; структура этих тел характеризуется высокой степенью упорядоченности — дальним и ближним порядком. Тепловое движение молекул (атомов) жидкости представляет собой сочетание малых колебаний около положений равновесия и частых перескоков из одного положения равновесия в другое. Последние и обусловливают существование в жидкостях лишь ближнего порядка в расположении частиц, а также свойственные им подвижность и текучесть. Плавление — это переход вещества из твердого агрегатного состояния в жидкое. Этот процесс происходит при нагревании, когда телу сообщают некоторое количествотеплоты +Q. Например, легкоплавкий металл свинец переходит из твердого состояния в жидкое, если его нагреть до температуры 327 С. Свинец запросто плавится на газовой плите, например в ложке из нержавеющей стали (известно, что температура пламени газовой горелки— 600-850°С, а температура плавления стали — 1300-1500°С). 4... Главное квантовое число определяет размеры электронной оболочки, т. е. наиболее вероятное расстояние от ядра атома-средний радиус электронного слоя(орбиты). Большее значение главного квантового числа соответствует большим размерам электронной оьолочки, и, следовательно, более высокой энергии электронов в атоме. Итак, возможные энергетические состояния электрона в атоме определяются величиной главного квантового числаn, которое может принимать положительные целочисленные значения: 1, 2, 3, 4 и т. д. Состояние электрона, характеризуюжщееся определенным значением главного квантового числа, наз. энергетическим уровнем электрона в атоме. 5.
6. Волна, распространяясь от источника колебаний, охватывает все новые и новые области пространства. Геометрическое место точек, до которых доходят колебания к моменту времени t, называетсяволновым фронтом.
Геометрическое место точек, колеблющихся в одинаковой фазе, называется волновой поверхностью ( поверхностью постоянных фаз, фазовой поверхностью). Волновых поверхностей можно провести бесчисленное множество, а волновой фронт в каждый момент времени - один.
7. Ранний период развития квантовой физики (1900-1924) характеризуется прежде всего формулировкой законов излучения в идеальной модели "абсолютно черного" (т. е. не отражающего) тела и введением "кванта действия" (М. Планк, 1900), открытием световых квантов и " корпускулярно-волнового дуализма" (двойственной природы) света (А. Эйнштейн, 1905 и последующие работы), затем построением модели атома Бора (Н. Бор, 1913) и гипотезой Луи де Бройля о волновых свойствах электрона (1924). Ключевым моментом здесь является осознание " корпускулярно-волнового дуализма" как универсального свойства материи. Второй этап, начавшийся с 1925 года, характеризуется построением формальной теории, описывающей этот дуализм (В. Гейзенберг, М. Борн, П. Иордан, Э. Шредингер(уравнение Шредингера описывает взаимодействие электронов с ядрами атомов, описывет форму электронных оболочек атомов и ионов, химическую связь и строение молекул), П. Дирак, В. Паули, 1925-1927; Дж. фон Нейман, 1932; Р. Фейнман, 1946, и другие исследователи) и глубоким обдумыванием возникших в связи с этим концептуальных проблем ("принцип неопределенности" Гейзенберга, "статистическая интерпретация волновой функции" Борна, "принцип дополнительности" Бора, и др. ).
Электромагнитные волны излучаются и поглощаются квантами, энергия каждого кванта пропорциональна частоте волны: E=hv. Квант электромагнитной энергии может поглощаться и излучаться отдельным атомом, то есть ведет себя подобно ''корпускупе'', частице, получившей название ''фотон''. Корпускулярно-волновыми свойствами обладают не только фотоны и электроны, но и все микрочастицы.
Микрочастица с энергией Е=mcи импульсом p=mведет себя подобно волне с частотой =E/h длинной волны =h/p, где h-постоянная Планка. 8. В конце 19 века были открыты частички, много меньшие атома, которые были названы элементарными-т. е. те которые не состоят из других частиц. Потом оказалось, что микрочастицы двигаются и взаимодействуют по другим законам, по квантовой механике.
Элементарные частицы, входят в состав прежде ''неделимого'' атомаюПервыми были открыты электрон, нейтрон и фотон-квант электромагнитного поля. Из первых трёх строили вещество, а фотон осуществлял взаимодействие между ними. Эти элементарные частички имеют внутреннюю структуру и могут превращаться друг в друга. К ним относятся и те частички, которые получают при помощи мощных циклотронов, синхротронов и других ускорителей частичек. Есть элементарные частички, возникающие при прохождении через атмосферу космических лучей, они существуют несколько миллионных долей секунды, потом распадаются, видоизменяются, превращаясьв другие элементарные частицы, или испускают энергию в форме излучения.
9. Тяжелые элементы, из которых построена планеты Солнечной системы, Земля и тела живых организмов возникли в результате термоядерных реакций в недрах первых протозвезд Вселенной. Так как после выгорания всего водорода центральная область звезды сжимается, температура и плотность в ней повышаются, и становятся возможными ядерные реакции с образованием все более и более сложных ядер. На поздних стадиях своей эволюции звезда разбухает, её внешние слои расширяются, тогда как центральная область, ядро звезды, продолжает постепенно сжиматься. Поверхностные слои могут отделятся от плотного ядра и образовать вокруг него газовое облако(туманность), из которой под воздействием сил гравитации могут формироваться звезды нового поколения с повышенным содержанием тяжелых элементов.
10. Звезды и галактики образовались из вещества, которое первоначально было равномерно рассеяно по всему объему Вселенной. ;Каждая частица вещества притягивалась ко всем остальным, и поэтому в однородном распределении неизбежно должны были возникнуть и разрастаться сгущения, в которые взаимное тяготение частиц втягивало все больше и больше света.
Звезда начинает своё существование как сжимающийся под действием собственного тяготения сгусток вещества. В ходе сжатия вещество нагревается и в нем возрастает давление, которое вскоре начинает препяствовать этому сжатию. Постепенно в сгущении достигается равновесие, баланс обоих сил: силы тяготения, стремящейся далее сжимать вещество, и силы давления, действующей против сжатия.
Но ещё до остановки сжатия давления, температура и плотность в самой внутренней, центральной области сгустка достигают столь высоких значений, что там ''зажигаются'' термоядерные реакции. Они служат источником энергии, благодаря которой поддерживается высокая температура и высокое давление в звездных недрахюЭта энергия питает излучение звезды.