§ 2. Термодинамические системы и их характеристики

Объектом изучения термодинамики являются макроскопическое тело или группа тел, находящихся в ограниченной части пространства. Тело, часть тела или группа тел, выделенные из пространства реально существующими или воображаемыми поверхностями, называются термодинамической системой или просто системой. Остальная часть пространства образует внешнюю (окружающую) среду. Примерами термодинамических систем может быть газ в баллоне, раствор нескольких веществ в колбе, кристалл или же мысленно выделенная часть подобного рода объектов.

По тому, как термодинамические системы взаимодействуют с окружающей средой, они подразделяются на изолированные, закрытые и открытые.

Изолированными системами называются системы, которые не обмениваются с окружающей средой ни энергией, ни веществом.

Закрытые системы – это системы, которые обмениваются с окружающей средой энергией, но не веществом.

Открытые системы - системы, обменивающиеся с окружающей средой и энергией, и веществом.

Макроскопические признаки, характеризующие систему, называются термодинамическими параметрами. Наибольшее значение имеют параметры, поддающиеся непосредственному определению. К таким параметрам относятся температура, давление, объем, плотность, концентрация и др.

Если внутри термодинамической системы параметры остаются постоянными или непрерывно меняются от точки к точке, то такая система называется гомогенной.

Система называется гетерогенной, если она состоим из нескольких макроскопических частей, отделенных одна от другой видимыми поверхностями раздела. На этих поверхностях некоторые параметры меняются скачкообразно.

Совокупность всех гомогенных частей системы, однородных в физическом и химическом отношениях, называется фазой. Агрегатные состояния (газ, жидкость, различные модификации кристаллов) представляют собой примеры разных фаз.

К образованиям с очень малым объемом понятие фазы неприменимо, так как состояние молекул на поверхности раздела фаз отличается от состояния молекул внутри фазы. Поэтому системы, составленные из небольшого числа молекул, не могут быть разделены на поверхностный слой и внутренний объем.

Фаза может состоять из нескольких веществ. Вещество, которое может быть выделено из системы и устойчиво существовать вне ее, называется составляющим веществом системы. Например, для водных растворов ими являются не ионы, а растворенная соль и вода.

Количества составляющих веществ, входящих в равновесную систему, могут зависеть друг от друга, и для определения состава системы достаточно знать концентрации лишь части составляющих веществ. Составляющие вещества, концентрации которых определяют состав фаз, называются независимыми составляющими веществами, или компонентами системы.

Число компонентов равняется числу составляющих веществ системы минус число уравнений, связывающих концентрации этих веществ.

12) Теплота и механическая работа (закон сохранения энергии)

Теплота измеряет внутреннюю энергию, переданную одним телом другому без совершения механической работы. При изменении внутренней энергии тела меняется его температура.

Так, при пилке, точке, сверлении за счет совершения механической работы увеличивается внутренняя энергия обрабатываемой детали и инструмента, и они

нагреваются.При определении механического эквивалента тепла (рис.185) работа против сил трения ленточного тормоза увеличивает внутреннюю энергию медного цилиндра, который при этом нагревается.

Газы имеют два различных значения удельных теплоемкостей в зависимости от того, происходит ли нагревание при постоянном давлении (ср) или при при постоянном объеме (сv). Если нагревать газ при постоянном давлении (подвижный поршень), то часть подведенного тепла пойдет на работу расширения газа, т.е. на подъем поршня и преодоление внешнего давления, а часть – на увеличение скорости молекул, т.е. увеличение внутренней энергии и связанное нею повышение температуры. В случае нагревания массы газа в замкнутом объеме (постоянном) все подведенное тепло идет на увеличение энергии движения молекул, газ нагревается сильнее (температура повышается больше

. Превращение тепла в работу никогда не происходит полностью; часть тепла всегда переходит от тела с более высокой температурой (нагреватель) к телу с более низкой температурой (холодильник).

В мысленном эксперименте Карно проводится круговой процесс, в котором газ или жидкость, совершая работу, претерпевает изменения температуры и давления и в конце процесса возвращается в первоначальное состояние.

Второй основной тепловой закон. Превращение тепла в работу возможно только частично, так как некоторое количество тепла обязательно передается окружающим телам с более низкой температурой.

Формулировка Планка. Невозможна такая машина, которая поглощала бы тепло у какого –нибудь тела (резервуара тепла) и превращала в работу без того, чтобы не происходили никакие иные изменения.

Увеличение внутренней энергии при трении, а также теплота, сообщаемая холодной воде (холодильника), являются формами энергии, которые не могут быть использованы в дальнейшем. В качестве меры этого обесценивания энергии Клаузиус ввел понятие энтропии:

Энтропия не меняется в идеализированных обратимых процессах (круговых процессах). Каждый естественный процесс протекает таким образом, что энтропия растет.

2. Работа в механике. Закон сохранения и превращения энергии в механике

Формирование понятия механической энергии было связано с формированием понятия механической работы А = F•x и энергии, как способности совершать работу.

Как известно, сообщить телу кинетическую энергию можно двумя способами:

а) передать при столкновении (например, удар шаров)

б) “подталкивая” с помощью некоторой силы F

Работа и энергия, как составные части, входят в один и тот же закон сохранения. Действительно, тело, двигаясь, сжимает пружину, и, растратив свою энергию на сжатие пружины, останавливается, вслед за этим пружина начинает распрямление, ускоряя тело, вся совершаемая при этом работа уходит на увеличение кинетической энергии тела. Что же в результате имеет система “пружина-тело”, когда движение прекратилось, а вся кинетическая энергия затрачена на сжатие пружины? Запас кинетической энергии не пропал бесследно, а перешел в запас энергии, которым обладает пружина в сжатом состоянии (“мертвой силы”, как ее первоначально называли). Такая форма энергии называется потенциальной. Другой способ запасти такую энергию - поднять груз на высоту.

Таким образом, термин “потенциальная энергия” относят к энергии запасенной в деформированном теле, в теле, поднятом на высоту, одним словом, к запасу энергии, обусловленному положением тела в некотором поле и природой самого поля. (Современной физике известно четыре типа полей, соответствующим четырем взаимодействиям: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое). Таким образом, понятие потенциальной энергии применимо не только к механическим явлениям.

Изменение потенциальной энергии определяется конкретной природой взаимодействия системы тел (гравитационным, электромагнитным, сильным, слабым) и зависит от изменения конфигурации тел в соответствующих полях.

Консервативные и диссипативные силы. Силы, величина которых зависит от взаимного расположения, или конфигурации тел и не зависят от движения, называются консервативными. Это – силы, проявляющиеся в потенциальных полях. (По определению потенциальные поля – это поля, работа сил которых не зависит от траектории движения). Гравитационное и электростатическое поля, как известно, являются потенциальными.

Рассмотрим примеры обусловленности потенциальной энергии конкретными видами взаимодействия системы тел. Так, потенциальная энергия сжатой пружины выражает собой энергию внутреннего движения частиц, составляющих пружину. Однако, механика не занимается изучением “внутренних сил”, связанных взаимодействием атомов и молекул, а интересуется конечным результатом. Этот результат может быть вычислен по величине работы, которую нужно затратить, чтобы изменить конфигурацию частей пружины. Запас этой работы и понимается как потенциальная энергия пружины. Потенциальная энергия – свойство системы материальных тел совершать работу при изменении конфигурации тел в системе.

Таким образом, работа может быть определена как мера изменения энергии.

В ряде случаев работа, совершаемая за счет уменьшения потенциальной энергии, практически полностью идет на увеличение кинетической энергии тела. Эти случаи и послужили основанием для формулирования закона сохранения и превращения энергии применительно к механическим процессам.

Вспомним формулировку закона:

Полная энергия замкнутой консервативной системы тел, равная сумме потенциальной и кинетической энергии, остается величиной постоянной.

Важно помнить также, что физический закон имеет границы своей применимости. В данном случае мы имеем два ограничения:

1) система должна быть изолированной от внешних воздействий (замкнутость системы);

2) система должна быть консервативной, т.е. в ней должны быть только консервативные силы.

В случае, если работа сил зависит от формы пути или же сами силы зависят от скорости движения, механическая энергия системы не сохраняется. Например, силы трения, которые не являются консервативными (зависят от скорости), происходит уменьшение, «рассеяние» энергии, или, что то же самое, ее диссипация

Мы знаем, что силы трения присутствуют практически всегда, и в действительности мы не имеем дела со строго консервативными системами. Однако закон сохранения механической энергии имеет огромное значение, поскольку, во-первых, существует множество явлений, которые допускает подобную идеализацию, например, при малых ∆t, когда трением можно пренебречь; во-вторых, без установления этого закона было бы очень трудно сделать следующий шаг и выяснить, куда же растрачивается механическая энергия

Примеры

Классическим примером этого утверждения являются пружинный или математический маятники с пренебрежимо малым затуханием. В случае пружинного маятника в процессе колебаний потенциальная энергия деформированной пружины (имеющая максимум в крайних положениях груза) переходит в кинетическую энергию груза (достигающую максимума в момент прохождения грузом положения равновесия) и обратно. В случае математического маятника аналогично ведёт себя потенциальная энергия груза в поле силы тяжести.

Вывод из уравнений Ньютона

Закон сохранения механической энергии может быть выведен из второго закона Ньютона, если учесть, что в консервативной системе все силы, действующие на тело, потенциальны и, следовательно, могут быть представлены в виде

,

где — потенциальная энергия материальной точки ( — радиус-вектор точки пространства). В этом случае второй закон Ньютона для одной частицы имеет вид

,

где m — масса частицы, — вектор её скорости. Скалярно домножив обе части данного уравнения на скорость частицы и приняв во внимание, что , можно получить

Путём элементарных операций это выражение может быть приведено к следующему виду

Отсюда непосредственно следует, что выражение, стоящее под знаком дифференцирования по времени, сохраняется. Это выражение и называется механической энергией материальной точки. Первый член в сумме отвечает кинетической энергии, второй — потенциальной.

Этот вывод может быть легко обобщён на систему материальных точек

13) Обратимые и необратимые процессы. Равновесное состояние и флуктуации. Закон возрастания энтропии

9.10. Обратимые и необратимые процессы. Круговой процесс

Обратимым процессом называют такой процесс, который может быть проведен в обратном направлении таким образом, что система будет проходить через те же состояния, что и при прямом ходе, но в обратной последовательности. Обратимым может быть только равновесный процесс.

Обратимый процесс обладает следующими свойствами: если при прямом ходе на каком-то элементарном участке (рис. 9.8.) система получает тепло и совершает работу , то при обратном ходе на том же участке система отдает тепло и над ней совершается работа . По этой причине после протекания обратимого процесса в одном, а затем в обратном направлении и возвращение системы в первоначальное состояние в окружающих телах не должно оставаться никаких изменений. Например шарик на пружине в вакууме колеблется бесконечно долго.

В том случае, когда после завершения прямого и обратного процессов система вернулась в первоначальное состояние и в окружающей среде остались изменения, процесс является необратимым. Очевидно, что все процессы в природе необратимые.

Круговым процессом (или циклом) называется такой процесс при котором система после ряда изменении возвращается в исходное состояние. На графике цикл изображается замкнутой кривой Работа совершаемая при круговом процессе, численно равна площади охватываемой кривой. После совершения цикла система возвращается в прежнее состояние. Поэтому всякая функция состояния, в частности внутренняя энергия, имеет в начале и в конце цикла одинаковое значение.

Примеры

Выпечка пирога — необратимый процесс. Гидролиз солей — обратимый процесс.

РАВНОВЕСНОЕ СОСТОЯНИЕ- состояние, в к-рое приходит термодинамич. система при постоянных внеш. условиях. Р. с. характеризуется постоянством во времени термодинамич. параметров и отсутствием в системе потоков вещества и энергии .

Флуктуации (от лат. fluctuatio – колебание), случайные отклонения наблюдаемых физических величин от их средних значений. Флуктуации происходят у любых величин, зависящих от случайных факторов и описываемых методами статистики

5.8. Равновесные флуктуации

Проведенное в предыдущих параграфах статистическое описание равновесных состояний термодинамической системы позволяет на основе функции распределения определять средние значения макроскопических параметров её состояния. Однако в любой, даже равновесной системе, существуют случайные отклонения от этих средних значений, которые можно экспериментально наблюдать при долговременных измерениях термодинамических параметров состояния системы. Так, в частности, если длительное время и с высокой точностью измерять температуру небольшого объема газа, то можно заметить, что она претерпевает небольшие случайные изменения даже в случае отсутствия внешних тепловых возмущений. На наличие случайных изменений давления указывает возникновение хаотического движения небольших частичек, помещенных в среду, называемое броуновским движением.

Указанные отклонения от средних значений термодинамических параметров состояния системы называются флуктуациями. Они возникают вследствие хаотического теплового движения частиц термодинамической системы. Мы будем рассматривать только флуктуации в равновесной системе, которые соответственно называются

Энтропия – это очень важное и ёмкое понятие в естественных науках. энтропия – это мера беспорядка, это мера необратимого рассеивания энергии (которое физики любят обзывать диссипацией). Чтобы лучше уяснить, о каком порядке и беспорядке идёт речь, поставим такой опыт. Насыпем в стеклянную банку чёрных и белых дробинок (на треть банки). Сперва насыпем чёрных, затем белых. Дробинки у нас располагаются как бы в два слоя: снизу чёрный, сверху белый. А затем несколько раз встряхнём эту банку. Что получится? Дробинки равномерно перемешаются. И сколько бы мы затем не трясли эту банку, нам вряд ли удастся добиться, чтобы дробинки снова расположились в два слоя. Вот она, энтропия в действии! Состояние, когда дробинки были расположены в два слоя, считается упорядоченным. Состояние, когда дробинки равномерно перемешаны, считается беспорядочным. Чтобы вернуться в упорядоченное состояние, нужна настоящая Золушка! Чтобы навести хаос в банке, почти не нужно усилий. Чтобы привести в порядок содержимое этой банки, нужны серьёзные усилия. И это фундаментальное свойство жизни. ЗАКОН ВОЗРАСТАНИЯ ЭНТРОПИИ.

И этот закон гласит:

ЭНТРОПИЯ ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМЫ ВОЗРАСТАЕТ

Если вернуться к нашей банке с дробинками, то на её примере мы хорошо увидели возрастание энтропии, как меры беспорядка. Чем больше энтропия, тем больше беспорядка. Мы также увидели, что для того, чтобы снизить энтропию (беспорядок), надо приложить немало усилий.

Если мы не развиваемся, то мы деградируем. Закон возрастания энтропии неумолимо работает и в жизни человеческой Возьмём в качестве системы человека. Человеку ничего не надо делать, чтобы его энтропия возрастала, ведь она возрастает самопроизвольно, по закону природы. А вот, чтобы противостоять этому возрастанию, надо прилагать усилия. И чем больше усилий, тем больше порядка и осознанности входит в нашу жизнь.

А ещё важно не только количество усилий, но и их качество (читайте энергия). Можно произвести огромное количество действий, но так и не привести свои дела в порядок. Можно бесконечно долго пинать колёса и протирать стёкла автомобиля, который не заводится. А можно разобраться с реальной причиной поломки, испачкав руки в смазке.

А Вы обратили внимание на то, что в формулировке закона возрастания энтропии присутствует слово «замкнутый»?

Что такое замкнутая система? Это система, которая не обменивается энергией и информацией с внешней средой. И если внутри этой системы не производится работа по снижению энтропии, то вскоре в этой системе воцарится полный беспорядок. Обмениваясь информацией и энергией с окружающими нас системами (людьми), мы снижаем свою энтропию (свой внутренний беспорядок)!

Правда, это действительно, если энергия и информация, получаемая нами от других, не приводит к росту этого беспорядка. А это возможно, когда мы общаемся с людьми организованными, творческими, сильными. И не важно, как мы с ними общаемся, через книги, словами, через Интернет. Всё это каналы передачи информации и энергии. Впуская в себя позитивную информацию и энергию, мы повышаем свой внутренний порядок.

Итак, помните про закон возрастания энтропии и действуйте, поскольку Вам ничего не надо делать, чтобы воцарился хаос. Достаточно опустить руки, потерять веру в свои силы – и Вы попали в жернова закона возрастания энтропии.

14) Неравновесные системы и их характеристики.

неравновесные открытые системы-. Это такие системы, в которых неравновесное состояние поддерживается стационарно притоками энергии и вещества извне. В неравновесной термодинамике определяются условия, при которых энтропия открытых систем может убывать, что означает возрастание упорядоченности в таких системах, формирование в них новых структур.

В равновесной термодинамике рассматриваются системы, находящиеся в состоянии равновесия, и изучаются очень медленные (квазистатические, обратимые) процессы, протекающие через непрерывную последовательность равновесных состояний. В этих условиях переменные состояния, например давление и температура, при отсутствии внешних сил не зависят от пространственных координат. С типичным примером неравновесной системы мы встречаемся в обычных потоках газа, когда его плотность, гидродинамическая скорость и температура меняются от точки к точке. Существование градиентов этих параметров приводит к переносу массы, импульса и энергии. Возникающие процессы переноса стараются выровнять неоднородности в распределении плотности, скорости и температуры, приближая систему к равновесию. Процессы переноса характеризуются соответствующими потоками. Например, градиент температуры вызывает поток тепла, градиент плотности - поток массы и т.д. В общем случае говорят, что потоки вызываются обобщенными термодинамическими силами (градиенты температуры или концентрации - простейший пример термодинамических сил)

В неравновесных системах основные переменные состояния, такие как плотность, гидродинамическая скорость, температура, давление меняются во времени и в пространстве. В таких системах имеются градиенты плотности, температуры, давления, концентрации.

Законы термодинамики, утверждают, что изолированная, замкнутая система со временем приходит в положение равновесия. С молекулярно-кинетической точки зрения положению равновесия отвечает состояние максимального хаоса. При удалении от равновесия состояние становится все более неустойчивым, и даже малые изменения какого-либо параметра могут перевести систему в новое состояние. Поэтому при изучении образования новых структур от замкнутых систем следует перейти к рассмотрению систем открытых, которые могут обмениваться с окружающей средой веществом или энергией, т. е. неравновесным состояниям. Отличия неравновесной структуры от равновесной заключаются в следующем:

1.Система реагирует на внешние условия (гравитационное, электромагнитное поля и т. п.).

2.Поведение системы случайно и не зависит от начальных условий, т. е. не зависит от предыстории.

3.Приток энергии создает в системе порядок, и, стало быть, энтропия уменьшается.

4.Наличие в развитии системы бифуркации — переломной точки в развитии системы.

Когерентность — система ведет себя как единое целое, как если бы она была вместилищем дальнодействующих сил. Таким образом, различают области равновесности и неравновесности, в которых может пребывать система. Ее поведение при этом существенно меняется.

15) Бифуркации и аттракторы. Спонтанная самоорганизация в природе и обществе

Точка бифуркации — смена установившегося режима работы системы. Термин из неравновесной термодинамики и синергетики.

Точка бифуркации — критическое состояние системы, при котором система становится неустойчивой относительно флуктуаций и возникает неопределенность: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на новый, более дифференцированный и высокий уровень упорядоченности. Термин из теории самоорганизации.

Свойства точки бифуркации

Непредсказуемость. Обычно точка бифуркации имеет несколько веточек аттрактора (устойчивых режимов работы), по одному из которых пойдёт система.

Однако заранее невозможно предсказать, какой новый аттрактор займёт система.

Точка бифуркации носит кратковременный характер и разделяет более длительные устойчивые режимы системы.

Аттра́ктор (англ. attract — привлекать, притягивать) — компактное подмножество фазового пространства динамической системы, все траектории из некоторой окрестности которого стремятся к нему при времени, стремящемся к бесконечности. Аттрактором может являться притягивающая неподвижная точка (к примеру, в задаче о маятнике с трением о воздух), периодическая траектория (пример — самовозбуждающиеся колебания в контуре с положительной обратной связью), или некоторая ограниченная область с неустойчивыми траекториями внутри (как у странного аттрактора).

Существуют различные формализации понятия стремления, что приводит к различным определениям аттрактора, задающим, соответственно, потенциально различные множества (зачастую — вложенные одно в другое). Наиболее употребительными определениями являются максимальный аттрактор (зачастую — в своей малой окрестности, см. ниже), аттрактор Милнора и неблуждающее множество.

Аттракторы-Если совсем просто - это такие состояния системы, в которые она стремится попасть из любого своего состояния (attract - это "притягивать", "привлекать").

Хороший пример - рулетка. Как бы крупье не бросал шарик, он в итоге прибьётся в одну из 38 лунок. Вот эти лунки и будут аттракторами для системы колесо - шарик. Это пример системы с затуханием - наличие аттрактора связано с тем, что есть состояния системы с минимальной энергией, и в системе есть потери - на трение, на сопроивление и т. п.

Второй пример (тут уже привели) - автогенератор. Например, обычный радиочастотный генератор. Тут тоже при любых начальных условиях (любом состоянии системы) рано или поздно он устаканится и станет генерить чистый синус. Тут аттрактором является ДИНАМИЧЕСКИЙ процесс.

Ну и наконец - арифметические аттакторы. Возьмём большое-большое число и найдём сумму его цифр. Получится ещё одно число, поменьше. У него тоже найдём сумму цифр. Ну и так далее, пока не получится однозначное число. Оказывается, что для произвольного исходного числа это конечное число - вовсе не какое попало, а их крайне ограниченное число (можно поискать детали в "Науке и жизни" за 2000 год, щас не помню точно). Причём саму операцию можно задать в принципе любую, не обязательно суммирование цифр до опупения, а какие-нибудь инверсные операции и т. п. Для них для всех будут существовать некие особенные числа, чаще других (или даже ВСЕГДА) появляющиеся в результате многократного последовательного применения такой операции. Это и есть арифметические аттракторы.

сИНЕРГЕТИКА

(совместная деятельность)

наука о процессах самоорганизации в природе и об-ве. Предметом С. являются механизмы спонтанного образования и сохранения сложных систем, особенно находящихся в отношении устойчивого неравновесия со средой (к последним относятся, в частности, все биотич. и социальные организмы). Т.о., в сферу внимания попадают нелинейные эффекты эволюции систем любого типа, кризисы и бифуркации — неустойчивые фазы существования, предполагающие множественность сценариев дальнейшего развития. Под самоорганизацией мы понимаем необратимый процесс, приводящий в результате кооперативного действия подсистем к образованию более сложных структур всей системы. Самоорганизация — элементарный процесс эволюции, состоящий из неограниченной последовательности процессов самоорганизации. Термин "самоорганизация" используется для обозначения дис-сипативной самоорганизации, т. е. образования диссипативных структур. Наряду с диссипативной самоорганизацией существуют и другие формы самоорганизации, такие как консервативная самоорганизация (образование структур кристаллов, биополимеров и т. д.) и дисперсионная самоорганизация (образование солитонных структур).

САМООРГАНИЗАЦИЯ

— процессы спонтанного упорядочивания, возникновения пространственных, временных, пространственно-временных или функциональных структур, протекающие в открытых нелинейных системах. Нелинейность означает необратимость и многовариантность эволюции, возможность неожиданных изменений темпа и направления течения процессов, наличие т.н. точек бифуркации, точек ветвления путей эволюции.

САМООРГАНИЗАЦИя процесс, в ходе которого создаётся, воспроизводится или совершенствуется организация сложной динамич. системы. Процессы С. могут иметь место только в системах, обладающих высоким уровнем сложности и большим количеством элементов, связи между которыми имеют не жёсткий, а вероятностный характер. Свойства С. обнаруживают объекты самой различной природы: живая клетка, организм, биоло-гич. популяция, биогеоценоз, человеч. коллектив и т. дДля объяснения процессов самоорганизации рассматриваются открытые системы, которые способны обмениваться с окружающей средой веществом, энергией или информацией. Открытая система не может быть равновесной, потому ее функционирование требует непрерывного поступления энергии и вещества из внешней среды, вследствие чего неравновесие в системе усиливается. В конечном итоге прежняя взаимосвязь между элементами системы, т. е. ее прежняя структура, разрушается. Между элементами системы возникают новые согласованные связи. Благодаря этому оказалось возможным развить новую нелинейную и неравновесную термодинамику необратимых процессов, которая стала основой современной концепции самоорганизации. Для более общего и глубокого представления о конкретных механизмах самоорганизации рассмотрим основные понятия и принципы синергетики.

Самоорганизация в различных видах эволюции

Теория самоорганизации, возникшая на основе исследования простейших физико-химических систем, оказалась способной объяснить многие эволюционные процессы, происходящие в биологических, экологических и даже социально-культурных системах. Но главное преимущество ее состоит в том, что новая парадигма помогает взглянуть на мир и составляющие ее системы с точки зрения их возникновения и развития без привлечения каких-либо мистических сил. Учение самоорганизации может раскрыть механизмы эволюции, происходящие от простейших систем живой природы до сложных форм эволюции в биологических, социально-экономических и культурно-исторических системах.

Несмотря на существенное отличие эволюции неживой природы от эволюции биологической, между ними существует также большое сходство и, можно даже сказать, глубокая аналогия. С этой точки зрения представляется интересным определение жизни, данное известным австрийским физиком Э. Шрединге-ром: "Жизнь — это упорядоченное и закономерное поведение материи, основанное не только на одной тенденции переходить от упорядоченности к неупорядоченности, но и частично на существовании упорядоченности, которая поддерживается все время. Средством, при помощи которого организм поддерживает себя на достаточно высоком уровне упорядоченности (равно на достаточно низком уровне энтропии), является энергия, получаемая организмом из окружающей среды с продуктами питания".

Многие видные ученые характеризуют также социальную эволюцию как продолжение биологической или генетической эволюции другими средствами. Некоторые даже считают культуру более мощным средством приспособления. Новейшая концепция эволюции, опирающаяся на парадигму самоорганизации, оказывается более адекватной и для анализа социально-культурной эволюции.

Социальная эволюция, так же как и эволюция природная, возникает в результате взаимодействия с окружающей средой. В природе адаптация к изменениям среды происходит путем естественного отбора, в результате которого побеждают в борьбе за существование и оставляют потомство наиболее приспособленные к условиям существования группы растений и животных. Таким образом, эволюция здесь происходит путем генетической передачи информации от родителей к потомкам.

У общества существуют свои методы и средства передачи приобретенного опыта, причем не только индивидуального, но и социального характера. Эти методы характеризуют как традиции. Традиции придают социальной эволюции более ускоренный характер по сравнению с эволюцией генетической, которая наблюдается в природе. Сюда относятся все способы передачи опыта, начиная от простейших навыков и правил поведения и кончая сложнейшими приемами профессиональной деятельности, накопленными знаниями и общечеловеческими нормами поведения. Действительно, социальная и культурная эволюция связана не с только с передачей индивидуального опыта, навыков, знаний и правил поведения и традиций в целом всех предшествующих поколений людей в той мере, в какой они зафиксированы и объективизированы в результате практической и интеллектуальной деятельности.

Таким образом, самоорганизация выступает как источник эволюции систем и жизни, так как она служит началом процесса возникновения новых и более сложных структур в развитии системы.

Чем сложнее система, тем больше многочисленные типы флуктуации, угрожающих ее устойчивости. Но в сложных системах существуют связи между различными частями. От исхода конкуренции между устойчивостью, обеспечивающейся связью, и неустойчивостью, возникающей из-за флуктуации, зависит порог устойчивости системы. Превзойдя этот порог, система попадает в критическое состояние, называемое точкой бифуркации. В ней система становится неустойчивой относительно флуктуаций и может перейти к новой области устойчивости, т. е. к образованию новой более сложной системы. Система как бы колеблется перед выбором одного из нескольких путей ее эволюции. Небольшая флуктуация может послужить в этой точке началом эволюции в совершенно новом направлении, которое резко изменит все ее поведение. Это и есть событие.

ВЫВОДЫ

При определенных неравновесных условиях в открытой системе за счет внутренних перестроек могут возникнуть упорядоченные структуры. Эту особенность системы назвали самоорганизацией, а сами структуры, возникающие в диссипативных системах при неравновесных необратимых процессах, Пригожин назвал диссипативными. Под влиянием действия крупномасштабных флуктуаций возникают коллективные формы движения, между которыми начинается конкуренция, происходит отбор устойчивых, возникают новые структуры.

Устойчивые состояния не теряют устойчивости при флук-туациях параметров — влияние флуктуаций погашается за счет внутренних процессов. Неустойчивые системы, наоборот, начинают усиливать флуктуации.

Г. Хакен выделил в спонтанном переходе к организации роль коллективных процессов, коллективного действия многих подсистем. Отсюда и название складывающейся концепции — синергетика. Синергетика изучает механизмы взаимодействия в сложных отрытых системах с положительной обратной связью.

Это взаимодействие ведет к согласованному, кооперативному поведению подсистем и сопровождается образованием новых устойчивых структур и самоорганизацией системы.

4. Самоорганизация выступает как источник эволюции систем, так как она служит началом процесса возникновения качественно новых и более сложных структур в развитии системы. Образование упорядоченных структур происходит в открытых системах при достижении определенного порогового значения в далеком от равновесия состоянии. На микроуровне при самоорганизации происходит процесс расширения или увеличения флуктуаций вследствие увеличения неравновесности системы под воздействием среды. Переход скачком в новое состояние с потерей линейности законов называют бифуркацией. Этот процесс остается незаметным на макроуровне, пока изменения не достигнут некоторой критической точки, после которой спонтанно возникает новый порядок или структура.

16) Квантовые представления о строении вещества (фотоэффект и эффект Комптона).

фотоэффект состоит в вырывании электронов из вещества под действием падающего на него света. Это когда фотоны,т.е.,собственно,мелкие частицы луча света,попадает на какой нибуть материал,с нестабильным или специально подготовленными своиствами атомов,"выбивая" из них электроны,которые(электроны) собственно,и являются носителями "электричества"...

Единственно,требуется небольшая разница в потенциалах приемника и передатчика(солнечной батареи),от которой и подзаряжается источник питания (разницы потенциалов)...

Фотоэффе́кт — это испускание электронов вещества под действием света (и, вообще говоря, любого электромагнитного излучения). В конденсированных веществах (твёрдых и жидких) выделяют внешний и внутренний фотоэффект.

Законы фотоэффекта:

Формулировка 1-го закона фотоэффекта: количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за единицу времени на данной частоте, прямо пропорционально световому потоку, освещающему металл.

Согласно 2-ому закону фотоэффекта, максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.

3-ий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота света ν0 (или максимальная длина волны λ0), при которой ещё возможен фотоэффект, и если ν < ν0, то фотоэффект уже не происходит. Фотоэлектрические явления возникают при поглощении веществом электромагнитного излучения оптического диапазона. К этим явлениям относится и внешний фотоэффект. Внешним фотоэффектом называют явление вырывания электронов из вещества под действием падающего на него света. Явление фотоэффекта открыто в 1887 г. Герцем. Количественные закономерности фотоэффекта были установлены А. Г. Столетовым и объяснены Альбертом Эйнштейном в 1905г.

Столетов для своих опытов использовал вакуумный стеклянный баллон с двумя электродами. Через кварцевое стекло на катод попадает свет (в том числе ультрафиолетовое излучение). С помощью потенциометра можно регулировать напряжение между электродами. Ток в цепи измерялся миллиамперметром. В результате исследований были установлены три закона фотоэффекта.

Во-первых, количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за единицу времени, и сила фототока насыщения прямо пропорциональны поглощаемой за это время энергии световой волны.

Во-вторых, максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов, т. е. максимальная начальная скорость вылетевших электронов не зависит от интенсивности излучения, а определяется частотой света (или длиной волны) и свойствами поверхности электрода.

В-третьих, для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта - предельная наименьшая частота (или наибольшая длина волны), при которой ещё возможен внешний фотоэффект. Если частота света меньше этой предельной частоты (или длина волны больше предельной длины волны), то фотоэффект не наблюдается. Например, у таких металлов как медь, железо, барий и др. маленькая длина волны, соответствующая красной границе. Поэтому эти металлы чувствительны только к ультрафиолетовому излучению. У щелочных металлов (калия, натрия, цезия) длинноволновая граница фотоэффекта больше, и поэтому они чувствительны и к видимому излучению.

В заключение хочется добавить, что фотоэлектрический эффект используется для преобразования энергии излучения в электрическую энергию, в электрический ток. Приборы, в основе устройства которых лежит явление фотоэффекта, называются фотоэлементами

Эффектом Комптона называется изменение частоты или длинны волны фотонов при их рассеянии электронами и нуклонами. Отличие от фотоэффекта в том, что фотон передает частицам вещества свою энергию не полностью.

Он представляет собой рассеяние монохроматических рентгеновских лучей легкими веществами.

Рассеяние происходит при взаимодействии фотона со свободными

электронами. При столкновении фотона со свободными электронами не может произойти поглощения фотона, так как это находится в противоречии с законами сохранения импульса и энергии. Поэтому при взаимодействии фотонов со свободными электронами может наблюдаться только их рассеяние.

Эффект Комптона наблюдается не только на электронах, но и на других заряженных частицах, например протонах, однако из-за большой массы протона его отдача «просматривается» лишь при рассеянии фотонов очень высоких энергий.

17) Соотношение неопределенностей и квантово-волновой дуализм

Корпускулярно-волновой дуализм — теория в квантовой механике, гласящая, что в зависимости от системы отсчета поток электромагнитного излучения можно рассматривать и как поток частиц (корпускул), и как волну. В частности, свет — это и корпускулы (фотоны), и электромагнитные волны. Свет демонстрирует свойства волны в явлениях дифракции и интерференции при масштабах, сравнимых с длиной световой волны. Например, одиночные фотоны, проходящие через двойную щель, создают на экране интерференционную картину, определяемую уравнениями Максвелла.[1]. Тем не менее, эксперимент показывает, что фотон не есть короткий импульс электромагнитного излучения, например, он не может[источник не указан 167 дней] быть разделён на несколько пучков оптическими делителями лучей. Корпускулярные свойства света проявляются при фотоэффекте. Фотон ведет себя и как частица, которая излучается или поглощается целиком объектами, размеры которых много меньше его длины волны (например, атомными ядрами), или вообще могут считаться точечными (например, электрон).

"СООТНОШЕНИЕ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЕЙ" — один из принципов квантовой механики, сформулированный Гей-зенбергом в 1927. Этот принцип устанавливает невозможность вследствие противоречивой, корпускулярно-волно-вой природы микрообъектов (Кор-пускулярно-волновой дуализм) одновременного точного определения их координаты и импульса. С. н. выражается в виде количественных соотношений между т. наз. неопределенностями сопряженных переменных: координаты и импульса, а также времени и энергии. Чем меньше неопределенность координаты частицы, тем больше неопределенность ее импульса, и наоборот. Аналогичное соотношение существует между определениями момента времени и энергии частицы. С. н. есть объективная характеристика статистических закономерностей движения микрочастиц, связанная с их корпускулярно-волновой природой; "неопределенности" присущи реальному состоянию микрообъекта (Дополнительности принцип). Из С. н. нек-рыми физиками и философами были сделаны философские выводы в духе позитивизма — отрицание причинной обусловленности состояний элементарной частицы и отрицание объективности микромира, его независимости от познавательной деятельности (т. наз. "приборный" идеализм (Прибор).

18) Квантовая инженерия в наномире.

Нанотехнологии – это технологии, дающие возможность работать с ничтожно малыми объектами, размеры которых измеряются в нанометрах, складывать из них, как из кубиков, устройства и механизмы невидимые обычным глазом. Нанотехнологии впитали в себя самые новые достижения физики, химии и биологии. Нанотехнологии - это очередная технологическая революция - переход от работы с веществом к манипуляции отдельными атомами.Базовая концепция нанотехнологии, подразумевает сознательное манипулирование атомами и молекулами, в результате которого каждая из них занимает в конечной структуре то место, которое ей определено человеком, что позволяет, полностью изменить отношения человека и природы.

Квантовая механика — это раздел теоретической физики, описывающий квантовые законы движения и свойства вещества в наномасштабе. Поведение и свойства многих наночастиц и наноструктур описываются законами квантовой механики.

Ученые обнаружили, что многие явления наномира не происходят в макромире. Именно по этой причине нанотехнологии захватывают воображение. Исследования наномира могут привести к новым удивительным открытиям.

Производство

Нанотехнологии позволяют использовать совершенно новые способы промышленного производства. С середины XX в. (и по сей день) для создания сверхмалых электрических схем и материалов было необходимо применять сверхточные инструменты и сверхчистые помещения. Даже сегодня полученные результаты не всегда абсолютно идеальны.

Инженеры стремились создавать как можно более легкие и быстрые компьютеры с максимально большой мощностью и объемом памяти. Для этого до сих пор используется нисходящий подход, или подход сверху вниз (top down): большой исходный материал разбивается на все более мелкие фрагменты, которые становятся частями единого механизма. Этот подход напоминает работу гениального скульптора Микеланджело Буонарроти, который для создания шедевра отсекал от глыбы мрамора все лишнее. Современные микротехнологии действуют аналогично: например электрические схемы создаются за счет отсечения всего лишнего с постепенным созданием нужной структуры.

НИСХОДЯЩИЙ И ВОСХОДЯЩИЙ ПОДХОДЫ

Многие наночастицы и микрокапсулы генерируются за счет самосборки, то есть на основе самоорганизации и без прямого вмешательства инженеров и ученых. Этот подход получил название восходящего, или подхода снизу вверх (bottom up). Атомы и молекулы самостоятельно собираются в наноструктуры под действием химических и каталитических реакций. Современные ученые и инженеры мечтают, чтобы в будущем все компьютеры и другие электронные приборы собирались именно таким образом. В таком случае даже самые мощные нанокомпьютеры смогут уместиться на ноготке мизинца или даже имплантироваться под кожу человека. Ваш мобильный телефон всегда будет буквально под рукой!

Современные компьютеры создаются на основе нисходящего подхода. Все более мелкие и мелкие детали формируются с помощью сложных макро- и микроинструментов, химикалий, шаблонов и т. п.

Наномасштабные технологии обработки поверхностей позволяют создавать товары с улучшенными механическими, термическими, биологическими, электронными, оптическими и химическими свойствами. Ниже перечислены некоторые перспективные области их применения:

• защита от износа инструментов и машин;

• защита мягких материалов (например, полимерных, деревянных и текстильных);

• антивандальные и необрастающие покрытия;

• самоочищающиеся поверхностные пленки для текстиля и керамики;

• антикоррозийная защита для инструментов и машин;

• термостойкие покрытия для турбин и двигателей;

• термоизоляция для оборудования и строительных материалов;

• биологически совместимые имплантанты;

• антибактериальные медицинские материалы и инструменты;

• сверхтонкие компоненты для транзисторов;

• магниторезистивные сенсоры и элементы памяти;

• фотохромные и электрохромные окна;

• антибликовые экраны;

* более эффективные солнечные батареи.

19) Современные представления о строении атома

А́том (от др.-греч. ἄτομος — неделимый) — наименьшая химически неделимая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств[1]. Атом состоит из атомного ядра и электронов. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов. Если число протонов в ядре совпадает с числом электронов, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называется ионом. Атомы классифицируются по количеству протонов и нейтронов в ядре: количество протонов определяет принадлежность атома некоторому химическому элементу, а число нейтронов — изотопу этого элемента.

Атомы различного вида в разных количествах, связанные межатомными связями, образуют молекулы.

20) Представление об элементарных частицах и их взаимодействии

Элемента́рная части́ца — собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить на составные части, это то чем заполняется любой физический вакуум.

Следует иметь в виду, что некоторые элементарные частицы (электрон, фотон, кварки и т. д) на данный момент считаются бесструктурными и рассматриваются как первичные фундаментальные частицы. Другие элементарные частицы (так называемые составные частицы — протон, нейтрон и т. д.) имеют сложную внутреннюю структуру, но, тем не менее, по современным представлениям, разделить их на части невозможно (см. Конфайнмент).Элементарными называют по той причине,что представляют собой предел деления на самостоятельные составные части

Известные микро частицы подразделяют на 4 класса: фотоны, лептоны, мезоны,баритоны.

1.фотоны(кванты электромагнитного поля) движуться со скоростью света,не имеют массы покоя, участвуют в электромагнитных взаимодействиях. Фотоны не имеют античастиц.

2.лептоны получили свое название от греческого слова «лептос»-легкий. К числу их относят частицы, не обладающие сильным взаимодействием: мюоны, электроны, нейтрино. Лептоны имеют спин, обладают слабым взаимодействием, электромагнитным взаимодействием.

3.мезоны- сильновзаимодействующие нестабильные частицы с массой от одной тысячи масс электрона. Они расподаются с образованием П-мезонов и лептонов или только лептонов.

4.баритоны-самая обширная группа микрочастиц с массой более тысячи масс электрона. За исключением протона, все баритоны не стабильны. Баритоны характеризуют баритонным зарядом.

По величине спина Спин (от англ. spin — вертеть[-ся]) — собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого

Все элементарные частицы делятся на два класса:

бозоны — частицы с целым спином (например, фотон, глюон, мезоны).

фермионы — частицы с полуцелым спином (например, электрон, протон, нейтрон, нейтрино);

По видам взаимодействий

Элементарные частицы делятся на следующие группы:

Составные частицы

адроны — частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий. Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на:

мезоны — адроны с целым спином, то есть являющиеся бозонами;

барионы — адроны с полуцелым спином, то есть фермионы. К ним, в частности, относятся частицы, составляющие ядро атома, — протон и нейтрон. Взаимодействия элементарных частиц

Фундаментальные (бесструктурные) частицы

лептоны — фермионы, которые имеют вид точечных частиц (т. е. не состоящих ни из чего) вплоть до масштабов порядка 10−18 м. Не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (электроны, мюоны, тау-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино. Известны 6 типов лептонов.

кварки — дробнозаряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии не наблюдались (для объяснения отсутствия таких наблюдений предложен механизм конфайнмента). Как и лептоны, делятся на 6 типов и считаются бесструктурными, однако, в отличие от лептонов, участвуют в сильном взаимодействии.

калибровочные бозоны — частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия:

фотон — частица, переносящая электромагнитное взаимодействие;

восемь глюонов — частиц, переносящих сильное взаимодействие;

три промежуточных векторных бозона W+, W− и Z0, переносящие слабое взаимодействие;

гравитон — гипотетическая частица, переносящая гравитационное взаимодействие. Существование гравитонов, хотя пока не доказано экспериментально в связи со слабостью гравитационного взаимодействия, считается вполне вероятным; однако гравитон не входит в Стандартную модель элементарных частиц.

Адроны и лептоны образуют вещество. Калибровочные бозоны — это кванты разных типов взаимодействий.

Кроме того, в Стандартной модели с необходимостью присутствует хиггсовский бозон, который, впрочем, пока ещё не обнаружен экспериментально

Стандартная модель

Станда́ртная моде́ль — теоретическая конструкция в физике элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц. Стандартная модель не включает в себя гравитацию.

Стандартная модель элементарных частиц включает в себя 12 ароматов фермионов, соответствующие им античастицы, а также калибровочные бозоны (фотон, глюоны, W- и Z-бозоны), которые переносят взаимодействия между частицами, и не обнаруженный на данный момент бозон Хиггса, отвечающий за наличие массы у частиц. Однако Стандартная модель в значительной степени рассматривается скорее как теория временная, а не действительно фундаментальная, поскольку она не включает в себя гравитацию и содержит несколько десятков свободных параметров (массы частиц и т. д.), значения которых не вытекают непосредственно из теории. Возможно, существуют элементарные частицы, которые не описываются Стандартной моделью — например, такие, как гравитон (частица, переносящая гравитационные силы) или суперсимметричные партнёры обычных частиц.

Взаимодействия элементарных частиц - взаимные влияния элементарных частиц, определяющие:

- силу связи между ними;

- изменения их состояний; и

- взаимопревращения.

Различают сильное, слабое, гравитационные взаимодействия.

Сильное взаимодействие

Сильное взаимодействие - короткодействующее взаимодействие элементарных частиц находящихся на расстоянии до 0.000'000'000'1 см.

В стабильном веществе сильное взаимодействие не вызывают никаких процессов и его роль сводится к созданию связи между нуклонами в ядрах.

При столкновениях ядер или нуклонов, обладающих достаточно высокой энергией сильное взаимодействие приводит к ядерным реакциям.

Слабое взаимодействие

Слабое взаимодействие - короткодействующее взаимодействие элементарных частиц находящихся на расстоянии до 0.000'000'000'000'001 см.

Слабое взаимодействие обусловливает большинство распадов элементарных частиц, взаимодействия нейтронов и др.

21) Элементы современной космологии (физическая вселенная)

Вселенная-это мегамир, который включает микромир и макромир. Это небасные тела (звезды, планеты, спутники, астероиды, кометы), планетные системы звезд, звезднуе скопления, галактики.

С глубокой древности и до начала нынешнего столетия космос считали неизменным. Звездный мир олицетворял собой абсолютный покой, вечность и беспредельную протяженность.

ВСЕЛЕНАЯ- это весь материальный мир, безграничный в пространстве и развивающийся во времени. Современная космология основывается на эволюционном подходе к проблеме возникновения и развития Вселенной, разработала модель расширяющейся Вселенной.

Экстраполируя процесс расширения в прошлое, сделали вывод, что 15-20 миллиардов лет назад Вселенная была заключена в бесконечно малый объем пространства при бесконечно большой плотности и температуре вещества-излучения (это исходное состояние называют "сингулярностью"), а вся нынешняя Вселенная конечна - обладает ограниченным объемом и временем существования. Отсчет времени жизни такой эволюционирующей Вселенной ведут от момента, при котором, как полагают, внезапно нарушилось состояние сингулярности и произошел "Большой Взрыв".

15-20 миллиарда лет вся масса Вселенной была сжата, была втиснута в некую точку, исходную каплю космоса. Когда Вселенная пребывала в исходном точечном состоянии, рядом, вне ее не существовало материи, не было пространства, не могло быть времени Его не существовало вне точки, в которую была сжата вся масса Вселенной, потому что вне ее не было ни материи, ни пространства. Времени не было, однако, и в самой точке, где оно должно было практически остановиться.

Ничто (вакуум) выступает в качестве основной субстанции, первоосновы бытия.

В свете новых космогонических представлений само понимание вакуума было пересмотрено наукой. Вакуум есть особое состояние вечно движущейся, развивающейся материи. На исходных стадиях Вселенной интенсивное гравитационное поле может порождать частицы из вакуума.

Нам неизвестно, почему, в силу каких причин это исходное, точечное состояние было нарушено и произошло то, что обозначается сегодня словами "Большой Взрыв". Согласно сценарию исследователей, вся наблюдаемая сейчас Вселенная размером в 10 миллиардов световых лет возникла в результате расширения, которое продолжалось всего 10-30 с. Разлетаясь, расширяясь во все стороны, материя отодвигала безбытие, творя пространство и начав отсчет времени. Так видит становление Вселенной современная космогония.

Если концепция о "Большом Взрыве" верна, то он должен был бы оставить в космосе своего рода "след", "эхо". Такой "след" был обнаружен. Пространство Вселенной оказалось пронизано радиоволнами миллиметрового диапазона, разбегающимися равномерно по всем направлениям. Это "реликтовое излучение Вселенной" и есть приходящий из прошлого след сверхплотного, сверхраскаленного ее состояния, когда не было еще ни звезд, ни туманностей, а материя представляла собой дозвездную, догалактическую плазму.

Теоретически концепция "расширяющейся Вселенной" была выдвинута известным ученым А.А.Фридманом в 1922-1924 годах. Десятилетия спустя она получила практическое подтверждение в работах американского астронома Э.Хаббла, изучавшего движение галактик.Закон Хаббла гласит-чем дальше галактики отстоят друг от друга , тем с большей скокрстью они удаляються друг от друга. Хаббл обнаружил, что галактики стремительно разбегаются, следуя некоему импульсу, заданному в момент "Большого Взрыва". Если разбегание это не прекратится, будет продолжаться неограниченно, то расстояние между космическими объектами будет возрастать, стремясь к бесконечности. По расчетам Фридмана, именно так должна была бы проходить дальнейшая эволюция Вселенной. Однако при одном условии - если средняя плотность массы Вселенной окажется меньше некоторой критической величины (эта величина составляет примерно три атома на кубический метр). Обратиться к изучению Вселенной посредством исследования рентгеновских излучений пришлось потому, что значительная часть ее вещества не воспринимается оптически. По крайней мере 50% массы нашей Галактики мы "не видим ". Об этом не воспринимаемом нами веществе свидетельствуют, в частности, гравитационные силы, которые определяют движение нашей и других галактик, движение звездных систем. Вещество это может существовать в виде "черных дыр", масса которых составляет сотни миллионов масс нашего Солнца,.

Это открытие позволяет с большей уверенностью говорить, что расширение Вселенной будет продолжаться лишь до некоторого момента, после которого процесс обратится вспять - галактики начнут сближаться, стягиваясь снова в некую точку. Вслед за материей будет сжиматься в точку пространство. Произойдет то, что астрономы обозначают сегодня словами "Схлопывание Вселенной".

Что произойдет после того, как Вселенная вернется в некую исходную точку? После этого начнется новый цикл, произойдет очередной "Большой Взрыв", праматерия ринется во все стороны, раздвигая и творя пространство, снова возникнут галактики, звездные скопления, жизнь.

Число возникновений и гибели, которые переживает Вселенная, бесконечно.

А как представляет себе гибель Вселенной современная космогония? Известный американский физик С.Вайнберг описывает это так. После начала сжатия в течение тысяч и миллионов лет не произойдет ничего, что могло бы вызвать тревогу наших отдаленных потомков. Однако, когда Вселенная сожмется до 1/100 теперешнего размера, ночное небо будет источать на Землю столько же тепла, сколько сегодня дневное. Затем через 70 миллионов лет Вселенная сократится еще в десять раз и тогда "наши наследники и преемники (если они будут) увидят небо невыносимо ярким". Еще через 700 лет космическая температура достигнет десяти миллионов градусов, звезды и планеты начнут превращаться в "космический суп" из излучения, электронов и ядер.

После сжатия в точку, после того, что мы именуем гибелью Вселенной (но что, может, вовсе и не есть ее гибель), начинается новый цикл. Вспомним об упомянутом уже реликтовом излучении, эхе "Большого Взрыва", породившего нашу Вселенную. Излучение это, оказывается, приходит не только из прошлого, но и "из будущего"! Это отблеск "мирового пожара", исходящего от следующего цикла, в котором рождается новая Вселенная. Температура реликтового излучения, наблюдаемого сегодня, на 3? выше абсолютного нуля. Это и есть температура "электромагнитной зари", знаменующей рождение новой Вселенной

. дение новой Вселенной.

Реликтовое излучение - только ли оно пронизывает наш мир, приходя как бы с двух сторон - из прошлого и грядущего? Только ли это? Материя, составляющая мир, Вселенную и нас, возможно, несет в себе некую информацию. Исследователи с долей условности, но говорят уже о "внутреннем опыте", своего рода "памяти" молекул, атомов, элементарных частиц. Атомы углерода, побывавшего в живых существах "биогенные".

Коль скоро в момент схождения Вселенной в точку материя не исчезает, то не исчезает, неуничтожима и информация, которую она несет. Наш мир заполнен ею, как он заполнен, материей, составляющей его.

К числу сравнительно недавно открытых космич.объектов квазары, нейтронные звезды, черные дыры.

Квазары-мощные источники космического радиоизлучения, они отличаются от обычных галактик тем, что в спектрах наблюдения значительно более сильное излучение в инфракрасной и ультрафиолетовой областях.Они по многим свойствам напоминают ядра галактик.Квазары весьма удаленные объекты. Галактики расположены ближе чем квазары.

Нейтронные звезды- предполагаемые звезды состоящие из нейтронов. Это очень маленькие, сверхплотные тела. При сверхвысоких плотностях вещество почти полностью состоит из свободных нейтронов с небольшой плотностью протонов и электронов.

Черные дыры- установлено что ч.д. должны возникать в результате очень сильного сжатия какой-либо массы, при котором поле тяготения возрастает настолько сильно, что не выпускает ни свет ни какое-либо другое излучение. Для того чтобы преодолеть поле тяготения дыры, потребовалась бы скорость большая скорости света, а такой скорости, согласно теории относительности не может быть.

Галактики могут быть спиральные, эллиптические, шаровые, неправильные. Пылевые туманностиобразованны из очень мелкой пыли.

22) Химия как наука, современная химическая картина мира (структурные уровни организации материи с точки зрения химии)

Химия- это естественная экспериментальная найка, изучает химические изменения материи и исследующая условия, при которых они происходят; химия занимается также различными физическими явлениями природы, сопровождающими химические изменения материи, изуч.причины и законы управления химическими изменениями материи, а также рассматривает основные части материи и их применение в технике.Традиционно химия изучает реакции которые происходят на микроскопическом , атомно-молекулярном уровне.

Предмет химии- хим.элементы и их соединения, а также закономерности, которым подчиняются различные хим.реакции.

На сегодняшний день известно около 15 млн. органических и около полумиллиона неорганических в-в, и кахдое из этих в-в может выступать в сотни хим.реакций с образование новых хим.в-в. Кахдое в-во имеет особенное внутреннее строение, поэтому химия явл. Многогранной и плодотворной наукой. Химия настолько разнообразна что многие ее разделы представляют соьой отдельные науки.

Т.о.химия- это постоянно развивающееся система знаний о веществах, их строении и св-вах, энергетике хим.процессов, способности в-ва вступать в хим.реакции,катклизаторах и т.д.

Химия тесно связана с физикой, а также с друг. Естеств.науками с геологией и биологией.

Химия делиться на органическую и неорганическую Неорганическая изучает хим.элементы и образуемые ими простые и сложные в-ва. Органическая изуч. Органические в-ва и их соединения с углеродом вплоть до сложнейших биополимерных композиций.

Одним из передовых направлений химии явл.биохимия-наука исследуемая хим.основы жизни.Развивается химия кристаллов, космическая химия кот занимается хим.процессами протек.на планетах и звездах, а также самая молодая область химии- матеметическая химия, кот.применяет для обработки хим.закономерностей математич.методы занимающаяся поиском связи между строением и свойствами в-ва и т.д.

Химия изучает основу материи, ее основание, строение, природу каких-либо процессов и реакций в материальном мире, а также формы движения материи, которые бавают весима разнообразны: нагревание и охлаждение тел, излучение света, эл.ток, хим.превращения, жизненные процесыы.

Основные законы химии

-закон сохранения масыы в-ва. Масса всех в-в, вступивших в хим.реакцию,равна массе всех продуктов реакции.

-закон постоянства состава,хим.в-ва имеют постоянный качественный состав и определенное хим.строение, независимо от способа получения.

Хим.элемент-это вид атомов, характеризующийся определенной величиной положительного заряда ядра.

Основные положения атомно-молекулярного строения:

1. В-ва состоят из молекул; молекулы разных в-в отличаются между собой хим.составом, размерами, физ.и хим. Свойствами.

2. Молекулы находатся в непрерывном движении: между ними существует взаимное притяжение и отталкивание. Скорость движ.молекул зависит от агрегатного состоян.в-ва.

3. При физ.явлен.состав молекул остается неизменным, при химич.- они претерпевают качественные и количественные изменения.

4. Молекулы состоят из атомов, атомы характеризуются определенными размерами и массой.

Формулировка периодического закона МЕНДЕЛЕЕВА :»Сойства хим.элементов и их соединений находиться в периодической зависимости зарядов ядер атомов элементов.»

23) Классификация химических веществ.

Химические вещества (органические, неорганические, элементоорганические), в зависимости от их практического использования, классифицируются на:

- промышленные яды. используемые в производстве: например, органические растворители (дихлорэтан), топливо (пропан, бутан), красители (анилин);

- ядохимикаты, используемые в сельском хозяйстве (пестициды, инсекцитиды и др.);

- лекарственные средства;

- бытовые химикаты, используемые в виде пищевых добавок (уксусная кислота), средства санитарии, личной гигиены, косметики и т.д.;

- биологические растительные и животные яды. которые содержатся в растениях и грибах (аконит, цикута), у животных и насекомых (змей, пчел, ос, скорпионов);

- отравляющие вещества (ОВ): зарин, зоман, иприт, фосген и др.

Ядовитые свойства могут проявить все вещества, даже такие как поваренная соль в больших дозах или кислород при повышенном давлении. Однако к ядам принято относить лишь те. которые свое вредное действие проявляют в обычных условиях и в небольших количествах.

Яды наряду с общей, ранее рассмотренной токсичностью, обладают и избирательной токсичностью. То есть, они представляют наибольшую опасность для определенного органа или системы организма.

По избирательной токсичности выделяют яды:

- сердечные с преимущественным кардиотоксическим действием; к этой группе относят многие лекарственные препараты, растительные яды, соли металлов (бария, калия, кобальта, кадмия);

- нервные, вызывающие нарушение преимущественно психической активности (угарный газ. фосфорорганические соединения, алкоголь и его суррогаты, наркотики, снотворные лекарственные препараты и др.);

- печеночные, среди которых особо следует выделить хлорированные углеводороды, ядовитые грибы, фенолы и альдегиды;

- почечные - соединения тяжелых металлов, этиленгликоль, щавелевая кислота;

- кровяные - анилин и его производные, нитриты, мышьяковистый водород;

-легочные - оксиды азота, озон, фосген и др.

24) Растворы и их особенности.

Растворами называются гомогенные системы, содержащие не менее двух веществ. Могут существовать растворы твердых, жидких и газообразных веществ в жидких растворителях, а также однородные смеси (растворы) твердых, жидких и газообразных веществ. Как правило, вещество, взятое в избытке и в том же аг­регатном состоянии, что и сам раствор, принято считать растворителем, а компонент, взятый в недостатке - растворенным веществом.

В зависимости от агрегатного состояния растворителя различают газообразные, жидкие и твердые растворы.

Газообразными растворами являются воздух и другие смеси газов.

К жидким растворам относят гомогенные смеси газов, жид­костей и твердых тел с жидкостями.

Твердыми растворами являются многие сплавы, например, металлов друг с другом, стёкла. Наибольшее значение имеют жидкие смеси, в которых растворителем является жидкость. Наи­более распространенным растворителем из неорганических ве­ществ, конечно же, является вода. Из органических веществ в качестве растворителей используют метанол, этанол,диэтиловый эфир, ацетон, бензол, четыреххлористый углерод и др.

В процессе растворения частицы (ионы или молекулы) рас­творяемого вещества под действием хаотически движущихся час­тиц растворителя переходят в раствор, образуя в результате бес­порядочного движения частиц качественно новую однородную систему. Способность к образованию растворов выражена у разных веществ в различной степени. Одни вещества способны смешиваться друг с другом в любых количествах (вода и спирт), другие - в ограниченных (хлорид натрия и вода).

Сущность процесса образования раствора можно показать на примере растворения твердого вещества в жидкости. С точки зрения молекулярно-кинетической теории растворение протекает следующим образом: при внесении в растворитель какого-либо твердого вещества, например, поваренной соли, частицы ионов Na⁺ и Cl^-, находящиеся на поверхности, в результате колебатель­ного движения, увеличивающегося при соударении с частицами растворителя, могут отрываться и переходить в растворитель. Этот процесс распространяется на следующие слои частиц, кото­рые обнажаются в кристалле после удаления поверхностного слоя. Так постепенно частицы, образующие кристалл (ионы или молекулы), переходят в раствор. На  рис  дана наглядная схема разрушения ионной кристаллической решетки NaСl при раство­рении в воде, состоящей из полярных молекул.

Частицы, перешедшие в раствор, вследствие диффузии распределяются по всему объему растворителя. С другой стороны, по мере увеличения концентрации частицы (ионы, молекулы), на­ходящиеся в непрерывном движении, при столкновении с твердой  поверхностью еще не растворившегося вещества могут задерживаться на ней, т.е. растворение всегда сопровождается обратным явлением - кристаллизацией. Может наступить такой момент, когда одновременно выделяется из раствора столько же частиц (ионов, молекул), сколько их переходит в раствор - наступает равновесие.

По соотношению преобладания числа частиц, переходящих в раствор или удаляющихся из раствора, различают растворы на­сыщенные, ненасыщенные и пересыщенные. По относительным количествам растворенного вещества и растворителя растворы подразделяют на разбавленные и концентрированные.

Раствор, в котором данное вещество при данной температуре больше не растворяется, т.е. раствор, находящийся в равновесии с растворяемым веществом, называют насыщенным, а раствор, в котором еще можно растворить добавочное количество данного вещества, - ненасыщенным.

Насыщенный раствор содержит максимально возможное (для данных условий) количество растворенного вещества. Следова­тельно, насыщенным раствором является такой раствор, который находится в равновесии с избытком растворенного вещества. Концентрация насыщенного раствора (растворимость) для данно­го вещества при строго определенных условиях (температура, растворитель) - величина постоянная.

Раствор, содержащий растворенного вещества больше, чем его должно быть в данных условиях в насыщенном растворе, на­зывается пересыщенным. Пересыщенные растворы представляют собой неустойчивые, неравновесные системы, в которых наблю­дается самопроизвольный переход в равновесное состояние. При этом выделяется избыток растворенного вещества, и раствор ста­новится насыщенным.

Насыщенный и ненасыщенный растворы нельзя путать с разбавленным и концентрированным. Разбавленные растворы - растворы с небольшим содержанием растворен­ного вещества;концентрированные растворы - растворы с большим содержанием растворенного вещества. Необходимо подчеркнуть, что понятие разбавленный и концентрированный растворы являются относительными, выражающими только соот­ношение количеств растворенного вещества и растворителя в растворе.

Сравнивая растворимость различных веществ, мы видим, что насыщенные растворы малорастворимых веществ являются разбавленными, а хорошо растворимых веществ - хотя и ненасы­щенные, но довольно концентрированными.

25)Химическая идентификация.

Химическая идентификация (обнаружение) - это установление вида и состояния фаз, молекул, атомов, ионов вещества на основе сопоставления экспериментальных и справочных данных для известных веществ. При идентификации определяется комплекс свойств вещества: цвет, фазовое состояние, плотность, вязкость, температура кипения, плавления, растворимость и др.

В зависимости от вида идентифицируемых частиц различают элементный, молекулярный, изотопный и фазовый анализы.

Качественный анализ характеризуется пределом обнаружения сухого вещества, т.е. минимальным количеством надежно идентифицируемого вещества, и предельной концентрацией раствора С_х.

В качественном анализе применяются только такие реакции, пределы обнаружения которых не превышают 50 мкг.

Имеются некоторые реакции, которые позволяют обнаружить то или иное вещество или ион в присутствии других веществ или ионов. Такие реакции называютсяспецифическими. Например, ион NН₄⁺ обнаруживается реакцией NH₄Cl + NaOH = NH₃↑ + H₂O + NaCl, а йод с крахмалом дает синее окрашивание.

Методы качественного анализа базируются на ионных реакциях, которые позволяют идентифицировать элементы в форме тех или иных ионов. В ходе реакций образуются труднорастворимые соединения, окрашенные комплексные соединения или изменение цвета раствора.

Имеется много органических и неорганических реагентов, образующих осадки или окрашенные комплексные соединения с катионами и анионами.  Например, ализарин + Al³⁺ → ярко-красный осадок,                     дихромат калия К₂Cr₂O₇ + Ca²⁺ → оранжевый осадок,                     дифениламин (С₆Н₅)₂NH + NO₃^- → раствор темно-синего цвета.

Таким образом, химическая идентификация заключается в основном на реакциях осаждения, комплексообразования, окисления и восстановления, нейтрализации, при которых происходит выпадение белого или окрашенного осадка, изменение цвета раствора или выделение газообразных веществ.

Определение содержания (концентрации, массы и т.п.) компонентов в анализируемом веществе называется количественным анализом.

Все методы количественного анализа можно условно разделить на две большие группы: химические и инструментальные.

Особенно широко употребляются в количественном анализе первые два метода.

Гравиметрический метод. Сущность метода заключается в получении трудно растворимого соединения, в которое входит определяемый компонент. По массе вещества находят массу определяемого компонента и проводят расчет его массовой доли в анализируемой навеске.

Титриметрический метод. Сущность метода заключается в измерении объема раствора того или иного реагента, израсходованного на реакцию с анализируемым компонентом. Для этих целей используют так называемые титрованные растворы, концентрация которых известна (титры). Титр - масса вещества, содержащегося в 1 мл титрованного раствора. Определение проводят способом титрования, т.е. постепенного приливания титрованного раствора к раствору анализируемого вещества, объем которого точно измерен. Существует несколько разновидностей титриметрического анализа: кислотно-основное, осадительное, окислительно-восстановительное и др.

Инструментальные методы анализа делятся на несколько групп.

1 группа. Электрохимические методы: потенциометрический, полярографический и кондуктометрический.

Потенциометрический метод базируется на измерении электродных потенциалов, которые зависят от концентрации ионов, т.е. по значению электродного потенциала φ можно судить о концентрации ионов.

Полярографический метод позволяет определять концентрации нескольких ионов в растворе по кривым напряжения.

Методом кондуктометрии определяют общее содержание примесей, например, в воде.

2 группа. Хроматография основана на разделении двух- и многокомпонентных смесей газов, жидкостей с помощью специального прибора - хроматографа. По получаемым хроматограммам делают вывод о составе смеси при сравнении их с литературными справочными данными.

3 группа. Оптические методы основаны на измерении оптических свойств веществ и излучений, взаимодействия электромагнитного излучения с атомами или молекулами анализируемого вещества.

26) Химические процессы.

Процессы, протекающие в химическом веществе, или в смесях различных веществ, представляют собой химические реакции. При протекании химических реакций всегда образуются новые вещества.

В сущности это процесс изменения структуры молекулы. В результате реакции количество атомов в молекуле может увеличиваться (синтез), уменьшаться (разложение) или оставаться постоянным (изомеризация, перегруппировка). В ходе реакции изменяются связи между атомами и порядок размещения атомов в молекулах.

Химические реакции выявляют и характеризуют химические свойства данного вещества.

Исходные вещества, взятые для проведения химической реакции, называются реагентами, а новые вещества, образующиеся в результате химической реакции, — продуктами реакции. В общем виде химическая реакция изображается так:

Реагенты → Продукты

Химия изучает и описывает эти процессы как в макромасштабе, на уровне макроколичеств веществ, так и в микромасштабе, на атомно-молекулярном уровне. Внешние проявления химических процессов, протекающих в макромасштабе, нельзя непосредственно перенести на микроуровень взаимодействия веществ и однозначно их интерпретировать, однако такие переходы возможны при правильном использовании специальных химических законов, присущих только микрообласти (атомам, молекулам, ионам, взятым в единичных количествах).

[править]

Номенклатура

Хими́ческая реа́кция — превращение одного или нескольких исходных веществ (реагентов) в отличающиеся от них по химическому составу или строению вещества (продукты реакции). В отличие от ядерных реакций, при химических реакциях ядра атомов не меняются, в частности не изменяется их общее число, изотопный состав химических элементов, при этом происходит перераспределение электронов и ядер и образуются новые химические вещества.

Химические реакции происходят при смешении или физическом контакте реагентов самопроизвольно, при нагревании, участии катализаторов (катализ), действии света (фотохимические реакции), электрического тока (электродные процессы), ионизирующих излучений (радиационно-химические реакции), механического воздействия (механохимические реакции), в низкотемпературной плазме (плазмохимические реакции) и т. п. Взаимодействие молекул между собой происходит по цепному маршруту: ассоциация – электронная изомеризация – диссоциация, в котором активными частицами являются радикалы,ионы, координационно-ненасыщенные соединения. Скорость химической реакции определяется концентрацией активных частиц и разницей между энергиями связи разрываемой и образуемой.

Учение о химическом процессе характеризуется взаимодействием физики, химии и биологии и базируется на идеях химической термодинамики и кинетики, которые обычно рассматриваются в физической химии.

Условия среды на Земле таковы, что молекулы непрерывно разрушаются и снова образуются. Если бы температура Земли была значительно выше, например как температура поверхности Солнца, то многие молекулы никогда бы не образовались из-за слишком сильного теплового возбуждения (атомы не могли бы оставаться друг возле друга), а если бы температура Земли была гораздо ниже, молекулы, соединяясь, образовали бы твердые тела и кристаллы и никакие изменения не происходили. Температура на Земле такова, что энергии достаточно для разрушения некоторых молекул, однако количество энергии не слишком велико, благодаря чему большинство соединений может существовать в течение какого-то времени. Создание и разрушение молекул сообщают постоянные изменения окружающей среде и создают тем самым возможность жизни. Одно из важнейших следствий образования молекул состоит в высвобождении энергии [2]. Этот процесс особенно нагляден при сжигании угля или других веществ. Горение любого типа связано с образованием новых молекул и, следовательно, с выделением тепловой энергии. Рассмотрим подробнее, как и почему высвобождается энергия при соединении атомов в молекулы. Понятно, что для разрыва химической связи требуется некоторое количество энергии и такое же ее количество высвобождается при образовании связи. Таким образом, нужно затратить энергию, чтобы разделить молекулу на атомы, и энергия выделяется, когда атомы образуют молекулу. Эта энергия проявляется в различных формах, например в виде колебаний. Когда атомы соединяются, образующаяся молекула начинает колебаться в результате сильного столкновения атомов. Вообще, когда атомы образуют молекулу, энергия высвобождается и обычно проявляется в форме движения, что эквивалентно теплоте. В некоторых особых случаях энергия связи не превращается в теплоту: химические реакции присоединения происходят таким образом, что энергия, выигранная при образовании молекул, передается молекулам другого рода, т.е. энергия образования молекулы запасается в другой молекуле, а не растрачивается в виде теплоты. Этот случай важен для поддержания жизни.

27) Химия экстремальных состояний

При взаимодействии реагентов с катализатором происходит ослабление исходных химических связей. Оно возможно при энергетической активизации реагента, которая достигается при тепловом либо радиоактивном воздействии, характеризующемся большой величиной энергии. Вопросами энергетической активизации реагента занимается химия экстремальных состояний, которая включает плазмохимию, радиационную химию, химию высоких энергий, высоких давлений и температур.

Плазмохимия изучает процессы в низкотемпературной плазме. Плазма — это ионизированный газ. Различают слабо ионизированную, или низкотемпературную, и высокотемпературную плазму. В плазмохимии рассматриваются процессы при температурах от 1000 до 10000°С. Такие процессы характеризуются возбужденным состоянием частиц, столкновениями молекул с заряженными частицами и, что особенно важно, очень высокими скоростями реакций.

В плазмохимических процессах скорость перераспределения химических связей очень высока: длительность элементарных актов химических превращений составляет около lO'^c при почти полном отсутствии обратимости реакции. Такая скорость в обычных заводских реакторах из-за обратимости снижается в тысячи и миллионы раз. Плазмохимические процессы поэтому очень высокопроизводительны.

Метановый плазмотрон с производительностью 75 т ацетилена в сутки имеет сравнительно крохотные размеры: длину 65 см и диаметр 15 см. Такой плазмотрон заменяет целый огромный завод. При температуре 3000-3500°С за одну десятитысячную долю секунды 80% метана превращается в ацетилен. Степень использования энергии достигает 90-95%, а энергозатраты составляют не более 3 кВт.ч на 1 кг ацетилена. В паровом реакторе пиролиза метана энергозатраты вдвое больше.

В последнее время разработаны способы связывания атмосферного азота посредством плазмохимического синтеза оксида азота, которые гораздо экономичнее аммиачного метода. Создается плазмохимическая технология производства мелкодисперсных порошков — основного сырья для порошковой металлургии. Разработаны методы синтеза карбидов, нитридов, карбонитридов таких металлов, как титан, цирконий, ванадий, ниобий и молибден, при энергозатратах не более 1-2 кВт.ч на килограмм. Таким образом, химия высоких температур направлена на существенную экономию энергии.

Относительно недавно — в 1970-х годах — созданы плазменные сталеплавильные печи, выдающие высококачественный металл. Именно таким печам принадлежит будущее. Разработаны методы ионно-плазменной обработки поверхности инструментов, износостойкость которых увеличивается в несколько раз.

Плазмохимия позволяет синтезировать такие ранее неизвестные материалы, как металлобетон, в котором в качестве связывающего элемента используются сталь, чугун, алюминий. При сплавлении частиц горной породы, благодаря прочному сжатию их с металлом, образуется металлобетон, превосходящий по прочности обычный бетон на сжатие в 10 раз и на растяжение в 100 раз.

В нашей стране разработаны плазмохимические способы превращения угля в жидкое топливо без применения высоких давлений и выброса золы и серы. При такой технологии кроме синтез-газа из неорганических включений каменного или бурого угля одновременно получаются и другие вещества: технический кремний, карбосилиций, ферросилиций, адсорбенты для очистки воды и т.п.

Радиационная химия — сравнительно молодая отрасль, ей немногим более 40 лет. Первые опыты радиационной химии были связаны с облучением полиэтилена гамма-лучами. Прочность полиэтилена при этом существенно возростала. В настоящее время радиационная химия изучает превращения самых разнообразных веществ под действием ионизирующих излучений. Источниками ионизирующего излучения служат рентгеновские установки, ускорители заряженных частиц, ядерные реакторы, радиоактивные изотопы.

В результате радиационно-химических реакций из кислорода образуется озон, из газообразных парафинов — водород и сложная смесь низкомолекулярных олефинов. Облучение полиэтилена, поливинилхлорида и многих других полимеров приводит к повышению их термостойкости и твердости.

Наиболее важными процессами радиационно-химической технологии являются полимеризация, вулканизация, производство композиционных материалов, в том числе композиций на древесной основе, закрепление лаков и других материалов на поверхности дерева и металла, получение полимербетонов путем пропитки обычного бетона тем или

иным мономером с последующим облучением. Такие бетоны имеют в четыре раза более высокую прочность, обладают водонепроницаемостью и высокой коррозийной стойкостью.

Принципиально новой и исключительно важной областью химии экстремальных состояний является самораспространяющийся высокотемпературный синтез тугоплавких и керамических материалов. Обычно крупномасштабное производство таких материалов осуществляется методом порошковой металлургии, суть которого заключается в прессовании и сжатии при высокой температуре металлических порошков. При этом температура должна составлять 1200-2000°С, а процесс спекания длится несколько часов. Гораздо проще реализуется самораспространяющийся синтез, основанный на реакции горения одного металла в другом или металла в азоте, углероде, кремнии и т.п.

Чаще всего процесс горения представляется в виде соединения кислорода с горючим веществом: углем, нефтепродуктами, древесиной. В химии принято считать горение реакцией окисления горючего вещества, что с позиции окислительно-восстановительных реакций означает перемещение электронов от атомов восстановителя — горючего тела к атомам окислителя — кислорода. С этой точки зрения горение возможно не только в кислороде, но и в других окислителях.

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез — тепловой процесс горения в твердых телах. Он представляет собой, например, горение порошка титана в порошке бора или порошка циркония в порошке кремния.

В результате такого синтеза получены сотни тугоплавких соединений превосходного качества: карбиды металлов, бориды, алюминиды, селениды.

Данный метод не требует громоздких печей и процессов, больших энергетических затрат и отличается высокой технологичностью. На установке, производящей многотоннажную продукцию, достаточно работы всего лишь одного человека. По оценке американских специалистов, технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза — высочайшее достижение русских ученых из Института химической физики Российской академии наук.1

Если рассматривать химические системы как совокупности химических элементов, вступающих друг с другом во взаимодействие, то экономические системы представляют совокупность экономических: субъектов, которые вступают друг с другом в определенные экономические отношения. При этом, если способность химических элементов к взаимодействию друг с другом называется реакционной способностью веществ, то способность экономических субъектов к взаимодействию называется либо покупательной способностью, либо производственными возможностями в зависимости от их роли в акте взаимодействия.

Вещество. Классическое вещество может находиться в одном из трех агрегатных состояний: газообразном, жидком или твердом. Кроме того, выделяют высокоионизованное состояние вещества (чаще газообразного, но, в широком смысле, любого агрегатного состояния), называемое плазмой.

В химическом отношении все вещества подразделяют на простые и сложные (химические соединения), а также на неорганические и органические вещества

28) Роль современной химии в экономике.

Химическая промышленность производит десятки тысяч наименований продуктов, многие из которых по технологическим и экономическим характеристикам успешно конкурируют с традиционными материалами, а часть — являются уникальными по своим параметрам. Химия дает материалы с заранее заданными свойствами, в том числе и такими, которые не встречаются в природе. Подобные материалы позволяют проводить технологические процессы с большими скоростями, температурами, давлениями, в условиях агрессивных сред. Для промышленности химия поставляет такие продукты, как кислоты и щелочи, краски, синтетические волокна и т. п. Для сельского хозяйства химическая промышленность выпускает минеральные удобрения, средства защиты от вредителей, химические добавки и консерванты к кормам для животных. Для домашнего хозяйства и быта химия поставляет моющие средства, краски, аэрозоли и другие продукты[1]. Химия характерна не только тем, что обеспечивает производство многих необходимых продуктов, материалов, лекарств. Во многих отраслях промышленности и сельскохозяйственного производства широко используются также химические методы обработки: беление, крашение, печатание в текстильной промышленности; обезжиривание, травление, цианирование в машиностроении; кислородное дутье в металлургии; консервация, синтезирование витаминов и аминокислот — в пищевой и фармацевтической промышленности и т. д. Внедрение химических методов ведет к интенсификации технологических процессов, увеличению выхода полезного вещества, снижению отходов, повышению качества продукции. Таким образом, химизация, как процесс внедрения химических методов в общественное производство и быт, позволила человеку решить многие технические, экономические и социальные проблемы. Однако масштабность, а нередко и неуправляемость этого процесса обернулась «второй стороной медали». Химия прямо или опосредованно затронула практически все компоненты окружающей среды — сушу, атмосферу, воду Мирового океана, внедрилась в природные круговороты веществ. В результате этого нарушилось сложившееся в течение миллионов лет равновесие природных процессов на планете, химизация стала заметно отражаться на здоровье самого человека. Получилась ситуация, которую ученые обоснованно именуют химической войной против населения,3емли. За последние 30-40 лет в этой войне пострадали сотни миллионов жителей планеты. Возникла самостоятельная ветвь экологической науки — химическая экология. Основными источниками, загрязняющими окружающую среду, кроме собственно химической промышленности, являются металлургия, автомобильный транспорт, тепловые электростанции. Они дают большой объем газообразных отходов, загрязняют водоемы рек и озер сточными водами, используемыми в технологических целях. Газообразные отходы содержат оксиды углерода, серы, азота, соединения свинца, ртути, бензопирен, сероводород и другие вредные вещества. В связи со сжиганием топлива в больших объемах возникла проблема снижения концентрации кислорода и озона в атмосфере, получившая название «кислородного голодания». К твердым отходам относятся отходы горнодобывающей промышленности, строительный и бытовой мусор. Сточные воды содержат многие неорганические соединения — ионы ртути, цинка, кадмия, меди, никеля и т. д. Пятая часть вод Мирового океана загрязнена нефтью и нефтепродуктами. Значительный ущерб водоемам вследствие вымывания удобрений из почвы наносят загрязнения, связанные с сельскохозяйственным производством. Вредные вещества из воздуха и воды попадают в почву, в которой накапливаются тяжелые металлы, радиоактивные элементы.

29) Химические процессы и материалы.