Пусть работающее тело получает теплоту Q1 и передает окружающему пространству теплоту Q2, в результате совершаемая работа – разница между: A=Q1-Q2
КПД=A/Q1=Q1-Q2//Q1=T1-T2//T1
- КПД любого теплового двигателя: от t нагревателя и холодильника.
Чтобы получить КПД=100%, необходимо, чтобы T2=0
Чтобы повысить T1, нужны материалы, повышающие сгорание, например керамика.
Тепловую машину с КПД=1 назвали Perpetummobile второго рода.
1) невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара.
2) Теплота не может самостоятельно переходить от тела нагретого к телу более нагретому.
Энтропия – (первоначально) – отклонение реальных процессов от действительности -(сейчас) – мера Хаоса.
Клаузиус дает две характеристики любого вещества:
1) энергия
2) энтропия
Согласно первому началу, энергия мира постоянна, а согласно второму, энтропия мира стремится к max.
18. Тепловая смерть вселенной.
Неизбежна Тепловая смерть вселенной – это процесс, при котором произойдет перераспределение энергии и наступит состояние некоторого термодинамического равновесия.
Одна из гипотез Ранкина: считал, что вселенная окружена зеркальной оболочкой, которая фокусирует рассеиваемую энергию в некоторых центрах вселенной и таким образом восстанавливается начальное состояние вселенной.
Ученый Клаудиус показал, что никакая концентрация энергии не может обеспечить температуру выше начальной. Тепловая смерть вселенной – неизбежный процесс.
Пий XII утверждал, что второе начало термодинамики указывает на божественное происхождение мира.
А.Д. Сахаров (предложил гипотезу пульсирующей вселенной): до существования современной вселенной существовала антивселенная, где все процессы протекали в обратном направлении.
Термодинамика позволяет рассмотреть общее свойство систем и общие закономерности равновесия.
Законы термодинамики применимы к любым системам.
Второе начало термодинамики указывает на наличие фундаментальной асимметрии в мире, т.е. все процессы протекают в сторону увеличения энтропии.
19. Сверхтекучесть и сверхпроводимость.
Фазовые переходы решили проблему сжижения газов. В 1877 году был сжижен кислород: французский ученый Кальете сжал кислород до 300 атмосфер, охладил и резко расширил: выпали капли жидкого кислорода – эффект Джоуля-Томпсона.
Был сжижен He при температуре 4,2˚К, когда охладили до 1˚К, он стал проявлять уникальные свойства: в такой жидкости исчезла вязкость, такая жидкость может течь даже вверх.
В 1911 г. Свинцовый проводник охладили до 7,2˚К, в результате в таком проводнике исчезло сопротивление: по проводнику можно передавать токи неограниченного размера.
Этот эффект является макроскопическим квантовым эффектом и связан с новым состоянием вещества. Все атомы такого вещества ведут себя как единое целое, все они находятся в наименьшем энергетическом состоянии и между ними невозможен теплообмен.
«Святая вода» связана с этим же эффектом: все молекулы взаимосвязаны и имеют идеальное состояние.
20. Основы равновесия.
Реальный мир отличается от законов классической механики. Многие процессы необратимы, например: связанные с трением, процессы теплообмена. Классические процессы не связаны с направлением времени.
Нулевое начало термодинамики: температура – есть условие равновесия между частями тела.
Первое начало термодинамики (закон сохранения энергии): каждая термодинамическая система обладает характеристической функцией энергии. dU=dQ+dW
Внутренняя энергия тела – энергия теплового движения микрочастиц тела или энергия их взаимодействия.
Второе начало термодинамики(связывает энергию и энтропию): система переходит из начального энергетического состояния в конечное через последовательность состояний равновесия (возрастает S -> max).
Третье начало термодинамики (тепловая теория Нернста): при t-ре абсолютного нуля, энтропия стремится к нулю и не зависит от давления и агрегатного состояния вещества.
21. Химические связи и химические реакции.
Вприроде атом редко существует изолированно, т.к. атомы химически активны. Вещество, в котором объединены атомы различных элементов с помощью различных связей, называется соединением. Мельчайшая частица соединения, сохраняющая его свойства, называется молекулой.
Химическая связь – результат взаимодействия между атомами, выраженный в создании определенной конфигурации и отличающий один тип молекул от другого.
Основные виды химических связей:
1) ионная
2) ковалентная
3) водородная
1 – атом отдает другому один или несколько электронов и каждый атом становится обладателем полного набора электронов (поваренная соль NaCl).
2 – при ней происходит обобществление электронов и они более длительное время находятся между атомами. Может существовать смещение ковалентного облака.
3 – ковалентная связь атомов водорода с атомами других элементов (вода H2O)
Валентность – это свойство атомов соединяться с некоторым числом других атомов. Определяется по числу одновалентных атомов.
Виды химических реакций:
1) экзотермические – реакции, протекающие с выделением тепла в окружающую среду. (реакции окисления углерода, горение органики). Выделяется 94.250 ккал.
Тепло выделилось -> энтропия вещества уменьшилась -> энтропия окружающей среды повысилась.
C+O2=>CO2↓+↑S=94.250 ккал.
Самая большая энтропия у газа. У жидкости меньше, у твердых веществ еще меньше.
2) эндотермические реакции протекают с поглощением тепла из окружающей среды. (ацетилен - C2H2):
2C+H2=>C2H2↑-↓S=56000 ккал.
Скорость реакции зависит от подводимой энергии и ее концентрации в узкой области.
22.Управление химическими реакциями.
При разложении молекул, атомы соединяются с другими атомами и образуют другие молекулы. Процесс образования новых химических соединений протекает за время 10 (в минус двенадцатой) сек.
1) управление с помощью катализатора.
Катализатор – вещество, которое изменяет скорость реакции, но не входит в состав конечного продукта (хлорофилл).
Управление с помощью ингибитора – вещество, замедляющее скорость химических реакций, но не входящее в состав конечного продукта (тетраэтил-свинец – яд, его добавляют в топливо, чтобы сгорало не мгновенно, а медленно)
2) управление с помощью магнитного поля: многие молекулы полярны, поэтому ориентация в магнитном поле может ускорять и замедлять химические реакции. Любое магнитное поле изменяет обменные процессы.
3) контроль за ходом химических реакций с помощью создания определенных средств (с помощью инертных газов).
4) концентрация энергии в узком временном и пространственном диапозоне (с помощью лазера)
23. Разнообразие живых организмов.
Биология изучает структуру и взаимодействие живых организмов. Термин «экология» ввел Геккель в 1866 году, считал, что экология изучает взаимодействие живых организмов и их зависимость от окружающей среды.
Разные организационные уровни:
1) биосфера – область активной жизни, включает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы. Ввел Зюсс в 1875 году.
В. И. Вернадский выделяет в структуре биосферы следующие элементы:
а) живое вещество
б) биокостное вещество (органическое вещество)
в) костное вещество (почва, солнечный свет)
2) популяционно-видовой:
Вид – живые организмы, сходные по структуре, имеющие одинаковый генотип, одинаковое происхождение, способные к скрещиванию и дающие плодовитое потомство.
3) организменный:
Организм – целостная система, способная самостоятельному существованию. Много видов животных, которые ведут изолированный образ жизни.
4) клеточный:
Клетка – самостоятельный уровень организации живого (бактерия).
5) субклеточный (вирусы)
Подход, связанный с качественными свойствами живого (качественный подход): все живое обладает рядом специфических свойств (питание, дыхание, рост, размножение).
В процессе развития выделяют 2 явления:
Онтогенез – индивидуальное развитие организма.
Филогенез – историческое развитие вида.
Выделяют наследственность и изменчивость.
Витализм (вита – душа) – все живое имеет сверхъестественную силу (душу). Душа весит от 20 до 40 г., 21г.
24. Строение клетки.
Клетка – завершенный элемент живой материи, может существовать самостоятельно. Впервые обнаружил клетку Гук в 1655 году. С этого момента появляется цитология.
Специализация клеток достигается за счет усиленного развития отдельных ее свойств.
Стволовые клетки – клетки, не прошедшие специализацию.
Клетка состоит из:
1) ядра – хранится генетическая информация (включая формирование белковых структур).
2) мембраны – обеспечивает стабильность клетки и обмен веществ.
3) митохондрий – энергетические установки клеток.
4) аппарата Гольджи – обеспечивает транспортировку белков.
5) рибосом – обеспечивают синтез белков.
Один из основных элементов клетки – мембрана, имеет сэндвич-структуру: два наружных слоя состоят из липидов (липос – жир), которые обладают водоотталкивающими свойствами. Средняя часть содержит фосфорную кислоту, которая растворима в воде, т.е. обладает гидрофильными свойствами. Состояние клетки отражает состояние мембраны, т.к. она обеспечивает питание клетки. Возбудимые мембраны возникают под действием химических/физических раздражителей и способны менять свою проницаемость обменных процессов.
Деление клетки протекает через деление ядра, где возникает процесс удвоения хромосом.
При митозе формируется идентичная дочерняя клетка с полным набором хромосом.
Мейоз – процесс, протекающий с формированием половых клеток, протекающий без удвоения хромосом; полный набор хромосом достигается слиянием двух половых клеток.