Концепции современного естествознания

Квантовые переходы и излучение

Почти все свойства атомов - химические, электрические, магнитные, оптические и т.д. - зависят от конфигураций внешних электронов. Только в случае очень сильного воздействия на атом в игру вступают сильно связанные внутренние электроны.

Если сообщить атому достаточную энергию за счет столкновения с быстрым электроном (как это происходит в рентгеновской трубке) или облучая его фотонами большой энергии, то удается выбить один из внутренних K-электронов. Электрон с более удаленной от ядра L-оболочки перейдет на K-оболочку и займет освободившееся место, испуская при этом жесткий фотон. В конце концов, после всех переходов с одной оболочки на другую и испускания серии рентгеновских квантов, из окружающей среды внешней оболочкой будет захвачен свободный электрон и атом вернется в электрически нейтральное состояние.

Атомы и молекулы

Ядра имеют положительный электрический заряд и окружены роем отрицательно заряженных электронов. Такое электрически нейтральное образование называют атомом. Атом есть наименьшая структурная единица химических элементов.

Атомные электроны образуют весьма рыхлые и ажурные оболочки. Распределение электронов по оболочкам подчиняется определенным правилам, установленным квантовой механикой. Электроны, находящиеся на внешних оболочках атомов, определяют их реакционную способность, т.е. их способность вступать в соединение с другими атомами.

Связь атомов возможна, если совместная внешняя оболочка целиком заполнена электронами. Такое образование называют молекулой. Молекула есть наименьшая структурная единица химического соединения. Число возможных комбинаций атомов, определяющих число химических соединений, составляет около 106.

Некоторые атомы (углерода и водорода) способны образовывать сложные молекулярные цепи, являющиеся основой для образования макромолекул, которые проявляют уже биологические свойства.

В природе лишь немногие атомы существуют поодиночке, поскольку у большинства элементов атомы химически нестабильны. Для того, чтобы атом был стабильным, его внешняя электронная оболочка должна быть заполнена определенным числом электронов (у водорода и гелия - 2, у остальных - 8).

Атомы с незаполненными внешними электронными оболочками способны вступать в химические реакции, образуя связи с другими атомами. Реакции сопровождаются перегруппировкой электронов, в результате которой внешняя электронная оболочка у каждого из атомов оказывается заполненной.

Соединением называют вещество, в котором атомы двух или более элементов объединены в определенном соотношении. Соединение характеризуется определенным составом и определенным набором свойств, отличающихся от свойств элементов, из которых оно состоит. Например, свойства воды отличаются от свойств водорода и кислорода, из которых она состоит.

Молекула - это мельчайшая частица соединения, сохраняющая все его свойства (соединения с ионными связями, как например, NaCl, состоят не из молекул, а из ионов). Атомы могут соединяться в молекулы, если энергия связанных атомов окажется меньшей, чем суммарная энергия изолированных атомов.

Кристалл образуется путем регулярного повторения расположения атомных групп в пространстве. Существует 14 различных основных типов кристаллов. Кристаллы могут быть ионными (кристаллы поваренной соли) и ковалентными (графит, алмаз). Металлы образуют еще один тип кристаллических структур, в которых внешние электроны не связаны с каким-либо определенным атомом; эти электроны могут свободно перемещаться внутри металла (электроны проводимости). Металлы со свободными электронами в межатомном пространстве являются хорошими проводниками. В ионных и ковалентных кристаллах каждый электрон связан с определенным атомом или парой атомов; свободные электроны отсутствуют. Поэтому кристаллы типа NaCl или алмаза плохо проводят электричество.

Мир реальных макрообъектов - статистическая физика

Выход книги Дарвина “Происхождение видов” (1859) совпал с открытием Дж. Максвеллом статистического закона о распределении молекул по скоростям, который допускает случайные события. С теорией естественного отбора Дарвина и законом Максвелла в науку вошло представление о динамических и статистических закономерностях. Первые точно определяют поведение отдельных тел, вторые - вероятность поведения тел, входящих в большие ансамбли.

В физике, химии и биологии встречаются статистические закономерности, отличие которых от законов механики состоит в том, что статистические закономерности управляют системами, состоящими из огромного числа объектов, подверженных случайным событиям. Случайными называют события, которые зависят от множества причин, связи между которыми не представляется возможным установить. Но при многократном повторении случайных событий проявляются определенные закономерности.

Открытие законов механики послужило основой для формирования механистической картины мира, согласно которой миром правят строгие однозначные законы, не допускающие никаких случайностей. Течение всех процессов определялось начальными условиями, мир представлялся состоящим из вечных, неделимых частиц, движение которых всегда можно описать с помощью законов механики.

Согласно представлениям того времени чья-то смерть или рождение, хорошая погода сегодня или война в будущем были предопределены существовавшим до этого расположением и скоростью частиц, составляющих Вселенную. “Природа проста и не роскошествует излишними причинами”, - утверждал один из создателей механистической картины мира - Исаак Ньютон. С открытием статистических закономерностей, которые вошли в науку с работами Дарвина, Максвелла, Больцмана, начали формироваться новые представления о мире, которые более адекватно отражали существующие в нем взаимосвязи.

Статистическая физика приняла завершенный вид после работ американского физика Дж.У.Гиббса, который дал общий метод вычисления усредненных макроскопических величин для произвольной системы.

Для описания движения планет, космического корабля, работы простых механизмов используют уравнения механики, которые позволяют определить положения и скорости всех частей системы. Но уравнения механики становятся бессильными, когда число частиц в системе очень велико, например, когда надо описать поведение газа или электрического тока.

Статистическая физика изучает свойства сложных систем - газов, жидкостей, твердых тел и их связь со свойствами отдельных частиц - атомов и молекул, из которых эти системы состоят. Для таких систем не нужно слишком детального описания. Нельзя измерить энергию и импульс всех молекул газа. В газе мы измеряем давление, которое есть результат ударов большого числа молекул; сопротивление кристалла есть следствие большого числа столкновений электронов с атомами. Во всех физических системах, состоящих из большого числа частиц, изучаются величины, усредненные по многим частицам.

Ансамбль (статистический) - совокупность одинаковых физических систем многих частиц, находящихся в одинаковых макроскопических состояниях, в то время как микросостояния могут быть различными.

Тепловое равновесие и флуктуации. Неравновесные состояния и релаксация

Релаксация - процесс установления термодинамического равновесия в макроскопической физической системе. Под временем релаксации разумеют время установления равновесия в системе. Время релаксации существенно зависит от размеров системы, а именно оно растет с увеличением размеров макротел. Это означает, что малые части макросистемы приходят в равновесие значительно быстрее, чем все тело в целом.

В связи с этим можно ввести понятие о локальном равновесии, т.е. равновесии в точке, под которой понимается элемент объема тела, достаточно малый по сравнению с размерами самого тела, но содержащий достаточно большое количество молекул или атомов.

При локальном равновесии “точка среды” характеризуется свои местным значением температуры, а сама неравновесная среда описывается “полем температур”. С течением времени неполное равновесие всей замкнутой системы превращается в полное, температура для всех ее частей постепенно выравнивается. В равновесных системах давление и температура постоянны по всему объему тела. Если же в теле имеется какое-то распределение давлений и температур, значит система неравновесная. Из-за наличия перепадов (градиентов) давления в таком теле возникают внутренние макроскопические движения, характеризующиеся некоторым распределением скоростей.

Тепловая физика: от Карно к Гиббсу

С.Карно, “Размышления о движущей силе огня и машинах, способных развивать эту силу”, 1824 г. Основная идея: тепловая машина производит работу благодаря передаче тепла от источника - нагревателя, находящегося при температуре T1, к холодильнику, находящемуся при температуре T2<<T1, т.е. от более нагретого тела к менее нагретому. С.Карно впервые разработал метод циклов. Цикл - это последовательность процессов, которые возвращают в конечном счете всю систему участвующих в них тел в первоначальное состояние. На основе цикла Карно сформулирован второй закон термодинамики.

Согласно второму закону термодинамики, во всякой изолированной (т.е. не испытывающей никаких воздействий со стороны других тел) системе самопроизвольно протекают только такие процессы, которые приводят ее в состояние, не изменяющееся в дальнейшем с течением времени. Такое состояние системы называется тепловым равновесием. Оно может достигаться в системе и тогда, когда она не является изолированной, но находится в неизменных внешних условиях.

Хорошо известный пример: тепло всегда переходит от горячего тела к холодному, пока температуры обеих тел не станут одинаковыми и не установится тепловое равновесие. Однако понятие теплового равновесия значительно сложнее.

С точки зрения кинетической теории состояние теплового равновесия возникает как результат равенства скоростей прямого и обратного процессов (например, равенства скоростей испарения и конденсации в замкнутом сосуде с жидкостью).

Следует подчеркнуть, что равенство это выполняется лишь в среднем (для не слишком малых промежутков времени и не слишком малых объемов): при переходе к малым временам и малым объемам наблюдаются отклонения от теплового равновесия, или флуктуации, обусловленные неточным совпадением скоростей противоположно направленных элементарных процессов в каждый данный момент.

Состояние теплового равновесия устойчиво. Понятие теплового равновесия применимо не только к выравниванию температуры вследствие переноса тепла, к фазовым превращениям, к химическим реакциям, но и к любым явлениям природы - физическим, химическим, биологическим, космическим: любая система при неизменных внешних условиях с течением времени всегда приходит в состояние теплового равновесия и никогда самопроизвольно из него не выходит.

Термодинамики устанавливает критерии теплового равновесия. Американский физик Дж.У.Гиббс, один из создателей классической и статистической термодинамики, придумал для расчета равновесий метод термодинамических потенциалов, или характеристических функций.

Согласно Гиббсу, существуют такие функции, которые в состоянии теплового равновесия достигают минимума. Например, если процесс происходит при заданных температуре и давлении, то в состоянии теплового равновесия минимума достигает свободная энергия Гиббса; в теплоизолированной системе, находящейся при постоянном объеме, - внутренняя энергия.

Энергия, температура, энтропия

Немецкий физик Р.Клаузиус ввел функцию S, которую он назвал энтропией и сформулировал второй закон термодинамики (1865): “При самопроизвольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию, энтропия всегда возрастает”.

Вот несколько равноценных формулировок второго начала термодинамики:

1) невозможно построить вечный двигатель второго рода, то есть машину, которая работает за счет тепла окружающей среды;

2) работу можно получить лишь выравнивая перепады каких-либо параметров системы (температуры, давления, электрического потенциала);

3) в замкнутой (то есть не получающей энергии извне) системе прирост энтропии всегда положителен;

4) все самопроизвольно протекающие процессы в замкнутых системах идут в сторону наиболее вероятного состояния системы.

Австрийский физик Л.Больцман открыл физический смысл энтропии и причины ее роста в изолированных системах: энтропия - мера беспорядка в системе. Полный порядок соответствует минимуму энтропии; любой беспорядок увеличивает ее. Максимальная энтропия соответствует полному хаосу. Энтропия жидкости больше, чем твердого тела; а энтропия газа больше чем энтропия жидкости.

Больцман впервые ввел понятие термодинамической “вероятности состояния системы”. Всякая система, состоящая из очень большого числа частиц, будет переходить от состояний менее вероятных к состояниям более вероятным, осуществляющимся большим числом способов. Связь между энтропией S и числом способов реализации данного состояния (термодинамической вероятностью) P дает формула Больцмана: S=klnP+const, где - постоянная Больцмана. Или S=klnW. Читается эта формула так: энтропия замкнутой системы прямо пропорциональна натуральному логарифму термодинамической вероятности состояния системы.

Когда энтропия системы достигает максимума, то никакие процессы в ней невозможны. Но при этом необходимо различать микропроцессы и макропроцессы. В природе необратимы все макроскопические процессы, они протекают в направлении возрастания энтропии. Необратимым является такой процесс, который в обратном направлении может протекать только как одно из звеньев более сложного процесса.

Одному и тому же макросостоянию может соответствовать множество микросостояний, которые с течением времени непрерывно сменяют друг друга, хотя на макроуровне может не наблюдаться никаких изменений. Действие закона возрастания энтропии при протекании процессов в замкнутых системах проявляется только на макроуровне.

Энтропия, как и энергия, - функция состояния системы. Энергия проявляется в работе. Энергия как функция состояния системы характеризуется определенными координатами, а работа равна разности энергий системы при переходе ее из одного состояния в другое.

В соответствии с законом сохранения энергии все формы движения материи могут переходить одна в другую. Но существуют “ловушки”, в которых различные виды движения материи превращаются в тепловое движение -трение, электрическое сопротивление, теплопроводность. А это превращение необратимо. В конце концов вся энергия системы превращается в энергию теплового движения и рассеивается в окружающем пространстве, а энтропия системы достигает максимума.

Энергия и энтропия всегда рядом. Энергия дает жизнь каждому листику, травинке, движение облакам, рекам, ветру. А энтропия? Если бы ее не было, все процессы в мире стали бы обратимыми. Книга соскользнет на пол и расползется на волокна, раскрутятся гайки и винты, на нас обрушится какофония звуков, которую произведут все происшедшие на Земле удары грома, выстрелы, взрывы, музыка, речь людей... В таком мире все виды движения материи будут долго превращаться друг в друга без потерь, но как бы мы прожили в этом мире?

Ближний и дальний порядки в природе

Ближний порядок - относительно упорядоченное расположение соседних частиц внутри малых объемов вещества. Дальний порядок - регулярное периодическое расположение частиц вещества по всему занимаемому им объему.

Строгое определение порядка и беспорядка математики дали лишь где-то в начале 60-х годов ХХ века.

Сравним две записи:

1) 1010101010101010101010101010101010101010

2) 1100001101010000001110101000001110011001

Для записи первого числа достаточно сказать: повтори набор 10 двадцать раз, для записи второго нужно продиктовать все 40 цифр.

Степень беспорядка может быть определена объемом информации, которую надо сообщить для записи числа.

3) 000011100000001111111111000000011111100000000

Данная запись характеризуется микроскопическим беспорядком (последовательности цифр чередуются как попало), но макроскопическим порядком (часто встречаются длинные последовательности нулей и длинные последовательности единиц).

Тело или система с идеальным макроскопическим беспорядком, в котором все направления равноценны, называется изотропным.

Тело, в котором разные направления неравноценны, называют анизотропным.

Распределение молекул в газах является примером осуществляющегося в природе полного, совершенного беспорядка в расположении и движении частиц.

ХасХс (гр.) - полный беспорядок. Хдаос - в древнегреческой мифологии бездна, наполненная мраком и туманом, из которого произошло все существующее.

Микропорядок и макропорядок. Ближний и дальний порядок

Модель 1: мешки с картошкой, уложенные штабелями. Центры мешков образуют правильную трехмерную решетку, а внутри мешка полный беспорядок. Макроскопический дальний порядок есть, микроскопического нет.

Модель 2: мешки с картошкой свалены как угодно, у каждого в среднем двенадцать соседей. От дальнего макроскопического порядка мы избавились, а ближний остался.

Деление порядка на ближний и дальний, на макроскопический и микроскопический могут сочетаться, как угодно, и все случаи действительно встречаются в мире молекул и кристаллов.

Особенно интересны такие сочетания в мире живого, где мы находим случаи отсутствия микроскопического порядка и наличия дальнего макроскопического. Так обстоит дело в структуре мышц, в молекулах ДНК.

Если молекулы предоставлены сами себе и на них не действуют мешающие их тепловому движению силы, то наиболее вероятным является беспорядочное распределение молекул. Беспорядочным является такое состояние, когда средние скорости молекул во всех точках пространства одинаковы.

В любой области знаний мы сталкиваемся с проблемами порядка и беспорядка (информация, генетика, суждения людей...) Например макроскопическим порядком обладают суждения людей о спортивных достижениях (измеряемые в баллах), о понятиях добра и красоты...

Фазовые переходы и симметрия

Переходы вещества из одной фазы в другую при изменении состояния системы называют фазовыми превращениями. Фаза - совокупность телесных объектов с определенным химическим составом и термодинамическими свойствами, отделенная от других фаз поверхностью раздела. Или иначе: фаза - это однородная часть неоднородной системы.

Фазовый переход - переход вещества из одной термодинамической фазы в другую при изменении внешних условий.

Фазовый переход первого рода - сопровождается скачкообразным изменением внутренней энергии и плотности.

Фазовый переход второго рода - отсутствует скачкообразное изменение внутренней энергии или плотности.

Фазовые переходы второго рода связаны с изменением порядка. Вблизи температуры фазового перехода степень порядка сколь угодно близка к нулю. Поэтому фазовый переход второго рода не требует затрат энергии.

При фазовых переходах второго рода происходит изменение внутренней симметрии тел. Примерами таких переходов могут служить: 1) переход металла в сверхпроводящее состояние; 2) переходы ферромагнетик - парамагнетик; 3) переход жидкого гелия в свертекучее состояние.

Необратимость - неустранимое свойство реальности. Стрела времени

Мир - это непрерывно хаотически движущиеся атомы и молекулы. Однако как это связать с гармонией и красотой окружающего нас макромира?

Джон Холл (XVII век): “Если то, что мы называем Вселенной, случайно зародилось из атомов, которые неутомимы в своем вихревом движении, то как случилось, что ты прекрасна, а я влюблен?”

Чем объясняется направленность процессов в окружающем мире? Закон, при помощи которого можно предсказать направление эволюции какой-либо физической системы, называется вторым началом термодинамики. Одна из его формулировок гласит: замкнутая система сама по себе, т.е. самопроизвольно, переходит из менее вероятного состояния в более вероятное.

Закон возрастания энтропии можно сформулировать следующим образом: во всех замкнутых системах энтропия никогда не убывает, она либо остается постоянной, либо возрастает. Соответственно этим двум возможностям все процессы, которые могут происходить с телами, делятся на обратимые и необратимые. Первые из них могут протекать как в прямом, так и в обратном направлениях, поскольку энтропия при этом не меняется; для вторых - это невозможно, поскольку связано с уменьшением энтропии.

По мнению ряда авторов, наблюдаемое в лабораторных экспериментах направление времени тесно связано с направлением времени, характерным для Вселенной в целом. Возможно, следует предположить существование некоторого взаимодействия (может быть, гравитации), наличие которого вообще делает в принципе невозможным строгую изоляцию системы, и именно это взаимодействие “диктует” направление времени во всех частях Вселенной (Ф.Кемпфер, 1972).

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22