Необратимость свойство реальных процессов.
Статистический характер энтропии. Хаос, структура и порядок макросистем.
Проблема тепловой смерти
При соприкосновении тел процесс теплопередачи происходит
самопроизвольно от горячего тела к холодному до тех пор, пока оба тела не будут
иметь одинаковые температуры. Все наблюдали, как налитый в чашку горячий чай
постепенно остывает, нагревая окружающий воздух. Но никто не видел, чтобы
теплый чай в чашке вдруг закипел за счет охлаждения окружающего его
воздуха.
Процессы теплопередачи самопроизвольно осуществляют только в
одном направлении, поэтому их называют необратимыми процессами.
Всегда осуществляется теплопередача тепла от горячего тела к
холодному, потому что равномерное распределение быстрых и медленных молекул в
двух сопрягающихся телах является более вероятным, чем такое распределение, при
котором в одном теле будут только «быстрые» молекулы, а в другом — только
«медленные».
Системы, состоящие из большого числа частиц, будучи
предоставленные самим себе, само произвольно переходят из состояний менее
вероятных в состояния более вероятные.
Необратимость тепловых процессов имеет вероятностный характер.
Самопроизвольный переход тела из равновесного состояния в неравновесное не
невозможен, а лишь подавляюще маловероятен. В конечном результате необратимость
тепловых процессов обусловливается колоссальностью числа молекул, из которых
состоит тело.
Молекулы газа стремятся к наиболее вероятному состоянию, т. е.
состоянию с беспорядочным распределением молекул, при котором примерно
одинаковое число молекул движется вверх и вниз, вправо и влево, при котором в
каждом объеме находится примерно одинаковое число молекул, одинаковая доля
быстрых и медленных молекул в верхней и нижней частях какого-либо сосуда. Любое
отклонение от такого беспорядка, хаоса, т. е. от равномерного и беспорядочного
перемешивания молекул по местам и скоростям, связано с уменьшением вероятности,
или представляет собой менее вероятное событие. Напротив, явления, связанные с
перемешиванием, с созданием хаоса из порядка, увеличивают вероятность
состояния. Только при внешнем воздействии возможно рождение порядка из хаоса,
при котором порядок вытесняет хаос. В качестве примеров, демонстрирующих
порядок, можно привести созданные природой минералы, построенные человеком
большие и малые сооружения или просто радующие глаз своеобразные фигуры.
В середине 19 века активно обсуждалась проблема тепловой
смерти Вселенной. Рассматриваю Вселенную как замкнутую систему и применяя к ней
второе начало термодинамики, Р.Ю. Клаузиус свел его содержание к утверждению,
что энтропия Вселенной должна достигнуть своего максимума. Это означает, что
все формы движения со временем должны перейти в тепловые. Переход же теплоты от
горячих тел к холодным приведет к тому, что температура всех тел во Вселенной
сравняется, т.е. наступит полное тепловое равновесие и все процессы во
Вселенной прекратятся – наступит тепловая смерть Вселенной. Ошибочность вывода
о тепловой смерти заключается в том, что бессмысленно применять второе начало
термодинамики к незамкнутым системам, например к такой безгранично
развивающейся системе, как Вселенная.
Источник электромагнитного поля связанный с материальными
носителями этого свойства (например электронами и протонами), называется
электрическим зарядом. Электрический заряд не зависит от системы отсчета.
Носителями отрицательных зарядов в атоме являются электроны,
носителями положительных зарядов — протоны, входящие в состав ядер, атомов.
Сумма положительных и отрицательных зарядов в атоме равна нулю: заряды
распределяются таким образом, что атом в целом является нейтральным.
В природе существует два типа электрических зарядов -положительные
и отрицательные. Одноименные заряды друг от друга отталкиваются, разноименные —
притягиваются. Опытным путем установлено, что электрический заряд дискретен,
т.е. заряд любого типа составляет целое кратное от элементарного электрического
заряда е (е = 1,6 • 10-19 Кл). Электрон (те = 9,11 • 10-31кг) и протон mр=1,67
• 10-27кг) являются соответственно носителями элементарных отрицательного и
положительного зарядов.
Закон сохранения заряда: алгебраическая сумма электрических
зарядов любой замкнутой системы (системы, не обменивающейся зарядами с внешними
телами) остается неизменной, какие бы процессы ни происходили внутри данной
системы.
Электрический заряд — величина релятивистски инвариантная,
т.е. не зависит от системы отсчета, а значит, не зависит от того, движется
данный заряд или покоится.
Единица электрического заряда - кулон (Кл) — это электрический
заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока 1 Ампер за
1 секунду.
Носителями зарядов в различных средах могут быть электроны (например,
в металлах), ионы — частицы молекул или атомов имеющие положительные и
отрицательные заряды (например в электролитах и газах), и молионы — коллоидные
частицы в жидкости имеющие заряды.
По модулю любой заряд кратен заряду электрона или протона.
Заряд протона равен по модулю заряду электрона.
В пространстве, окружающем электрический заряд, существует
силовое поле, называемое электрическим полем, то есть электрическое поле
создается электрическим зарядом. Электрическое поле, создаваемое неподвижными электрическими
зарядами, принято называть электростатическим.
Опыт показывает , что подобно тому , как в пространстве ,
окружающем электрические заряды, возникает электромагнитное поле , так в
пространстве, окружающем токи и постоянные магниты, возникает силовое поле
называемое магнитным. Магнитное поле обнаруживается по силовому действию на
внесенные в него проводники с током или
постоянные магниты.
В 60-х годах XIX в. английский физик Максвелл развил теорию
Фарадея об электромагнитном поле и создал теорию электромагнитного поля. Это
была первая теория поля. Она касается только электрического и магнитного полей
и весьма успешно объясняет многие электромагнитные явления. Полезно напомнить
некоторые основные идеи, лежащие в основе данной теории, и вытекающие из нее
выводы.
Из закона Фарадея(закон электро-магнитной индукции) следует,
что любое изменение сцепленного с контуром магнитного потока приводит к
возникновению электродвижущей силы (ЭДС) индукции и вследствие этого появляется
индукционный ток. Следовательно, возникновение ЭДС электромагнитной индукции
возможно и в неподвижном контуре, находящемся в переменном магнитном поле.
Однако ЭДС в любой цепи возникает только тогда, когда в ней на носителей тока
действуют сторонние силы, т. е. силы не электростатического происхождения.
Поэтому возникает вопрос о природе сторонних сил в данном случае. Опыт
показывает, что такие сторонние силы не связаны ни с тепловыми, ни с
химическими процессами в контуре; их возникновение нельзя также объяснить
силами Лоренца, так как они на неподвижные заряды не действуют. Дж.Максвелл
высказал гипотезу, что всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем
пространстве электрическое поле, которое и является причиной возникновения
индукционного тока в контуре. Согласно представлению Максвелла, контур, в
котором появляется ЭДС, играет второстепенную роль, являясь своего рода лишь
"прибором", обнаруживающим это поле. Электрическое поле, возбуждаемое
магнитным полем, как и само магнитное поле, является вихревым.
Согласно Максвеллу, если всякое переменное магнитное поле
возбуждает в пространстве вихревое электрическое поле, то должно существовать
обратное явление: всякое изменение электрического поля должно вызывать
появление в окружающем пространстве вихревого магнитного поля. Для установления
количественных соотношений между изменяющимся электрическим полем и вызываемым
им магнитным полем Максвелл ввел в рассмотрение так называемый ток смещения,
обладающий способностью создавать в окружающем пространстве магнитное поле. Ток
смещения в вакууме не связан с движением зарядов, а обусловливается только
изменением электрического поля во времени и вместе с тем возбуждает магнитное
поле — в этом заключается принципиально новое утверждение Максвелла.
Из уравнений Максвелла следует, что источниками электрического
поля могут быть либо электрические заряды, либо изменяющиеся во времени
магнитные поля, а магнитные поля могут возбуждаться либо движущимися
электрическими зарядами (электрическими токами), либо переменными
электрическими полями. Уравнения Максвелла не симметричны относительно
электрического и магнитного полей. Это связано с тем, что в природе существуют
электрические заряды, но нет зарядов магнитных.
В стационарном случае, когда электрическое и магнитное поля не
изменяются во времени, источниками электрического поля являются только
электрические заряды, а источниками магнитного — только токи проводимости. В
данном случае электрическое и магнитное поля независимы друг от друга, что и
позволяет изучать отдельно постоянные электрические и магнитные поля.
Уравнения Максвелла — наиболее общие уравнения для
электрических и магнитных полей в покоящихся средах. В учении об
электромагнетизме они играют такую же роль, как законы Ньютона в механике. Из
уравнений Максвелла следует, что переменное магнитное поле всегда связано с
порождаемым им электрическим полем, а переменное электрическое поле связано с
порождаемым им магнитным, т. е. электрическое и магнитное поля неразрывно
связаны друг с другом — они образуют единое электромагнитное поле.
Долгое время считалось, что взаимодействие между телами может
осуществляться непосредственно через пустое пространство, которое не принимает
участия в передаче взаимодействия, и передача взаимодействия происходит
мгновенно. Такое предположение составляет сущность концепции дальнодействия..
Основоположник концепции дальнодействия — французский
математик физик и философ Рене Декарт. Многие ученые придерживались этой
концепции вплоть до конца XIX в.
Экспериментальные исследования электромагнитных явлений
показали несоответствие концепции дальнодействия физическому опыту. Кроме того,
она находится в противоречии с постулатом специальной теории относительности, в
соответствии с которым скорость передачи взаимодействий тел ограничена и не
должна превышать скорость света в вакууме.
Было доказано, что взаимодействие электрически заряженных тел
осуществляется не мгновенно и перемещение одной заряженной частицы приводит к
изменению сил, действующих на другие частицы, не в тот же момент, а лишь спустя
конечное время. Каждая электрически заряженная частица создает электромагнитное
поле, действующее на другие заряженные частицы, т. е. взаимодействие передается
через "посредника" — электромагнитное поле. Скорость распространения
электромагнитного поля равна скорости света в пустоте — примерно 300 000 км/с.
Это и составляет сущность новой концепции — концепции близкодействия, которая
распространяется не только на электромагнитное, но и на другие виды
взаимодействий.
Основные характеристики колебательных и волновых процессов.
Типы колебаний и волн. Резонанс.
Источник колебания волн – колебательные системы, в них
возбуждаются колебания и они их распространяют в окружающее пространство. Колебание – периодически повторяющиеся
движения или изменения. V=1/T –
частота. Амплитуда – макс.. отклонение от положения равновесия. Фаза колебаний
– это некоторая хар-ка, которая определяет, с какого момента времени мы
рассматриваем колебание. Колебания содержат в себе запас энергии (кинетической
и потенциальной). Потенциальная энергия характеризует отклонение тела от
положения равновесия или нейтрального положения.
Классификация колебаний:
по природе колебания
механические (период перемещения тел, изменения его формы и
объема)
электрические (колебания зарядов или токов)
упругие !
поверхностные (на поверхности раздела вода-воздух)
->гравитационные (т.к. вызваны притяжением Земли)
по характеру колебаний любой природы
гармонические (=идеальные) Не сущ. В природе.
Затухающие (прекращ. С течением времени
вынужденные (они происходят под действием периодической
внешней силы)
параметрические (периодически меняют св-ва колебательной
системы)
автоколебания (часы, человеческое сердце, работа
радиопередатчика)
линейные (относительно малой амплитуды)
нелинейные (не сущ. общей теории о них) = реальные колебания
Вынужденные колебания
Резонанс – это явление сильного увеличения амплитуды
вынужденных колебаний, когда частота внешней вынуждающей силой становится
равной собственной частоте колебательной системы. При резонанса вынуждающая сила в течение всего периода колебания
направлена в ту же сторону, что и вектор скорости колеблющегося тела. Поэтому
она все время совершает положительную работу, увеличивая амплитуду колебаний
тела. При несовпадении частоты
вынуждающей силы и собственной частоты колебаний тела в течение одной части
периода сила совершает положительную работу, увеличивая энергию тела, а в
течение другой части периода та же сила совершает отрицательную работу,
уменьшая энергию тела. При отсутствии трения и сопротивления воздуха амплитуда
колебаний могла бы возрастать неограниченно, но в реальных условиях амплитуда
установившихся колебаний определяется равенством потерь энергии и работы
вынуждающей силы за период колебаний. Чем меньше будет трение и сопротивление, тем ярче будет выражен
резонанс.
Волны – это колебания, которые распространяются в
пространстве. Они бывают бегущими и стоячими. Передаются от одной точки к
другой. Длина волны – это расстояние, на которое распростран. Колебание за ее 1
период, зависит от характера самих колебаний и от св-в среды. Скорость
распространения волны бывает фазовая и групповая (та скоторость, с которой
передается энергия с волной от одной точки к другой. Поляризация волн – это
соотношение между двумя направлениями: в котором происходят колебания в волне и
направлением распространения волны. Продольные волны – эти два направления
совпадают (звуковые). Поперечные волны – колебания происходят перпендикулярно
направлению распространения волны (свет). Смешанные волны = продольные и
поперечные. Волновое поле – это обл. пространства, в котором распространяются
волны. Фазовая (волновая) поверхность – это поверхность, на которой колеб.
движения волны имеют одну и ту же фазу. Расстояние между соседними волновыми
поверхностями, у которых фазы различаются на 2п - длина волны.
Интерференция волн (когерентные) – это
результат положения или суперпозиции когерентных волн (у них разность фаз
остается const с течением времени, их условие – одинаковость частот).
При подготовке этой работы были использованы материалы с сайта
http://www.studentu.ru