Контрольная работа по "Концепции Современного Естествознания"

В свою очередь категория «развитие» конкретизируется в таких категориях, как «становление» (первоначальное формирование предмета), «прогресс» (восхождение  от низшего к высшему), «регресс» (нисхождение от высшего к низшему) и др. Наукой о развитии в его полном виде является диалектика.

В современной науке категория  «развитие» углубляет свое содержание в понятиях «коэволюция» (выражающего сопряженное, взаимообусловленное изменение всех материальных и духовных систем) и «универсальный (глобальный) эволюционизм», который охватывает все сферы естествознания, обществоведения и культуры.

39.Развитие учения о составе вещества.

Учение  о составе вещества охватывает три  основные проблемы:

• анализ состава химического элемента;

• определение состава химического  соединения;

• применение все большего числа химических элементов для производства новых  материалов.

В истории развития учения о составе  вещества решение первой из названных  проблем начиналось с ошибочного представления о химическом элементе. Первая научная теория химии, - теория флогистона, касающаяся состава вещества, оказалась ошибочной. Примерно до середины XVII в. не был известен ни один химический элемент. Лишь в 1660-х годах Р. Бойль положил начало современному представлению о химическом элементе как о "простом теле" или как о пределе химического разложения вещества, переходящем из состава одного в состав другого сложного тела. В те времена для получения химического элемента как "простого тела" использовался универсальный метод разложения сложных тел - метод прокаливания. После прокаливания образовывалась окалина, которая принималась за элемент. В результате металлы - железо, медь, свинец, сурьму и т.д. - считали сложными телами, состоящими из соответствующих элементов и универсального "невесомого тела" - флогистона (греч. - "горючий").

Ошибочная теория флогистона, как  и гелиоцентрическая теория, послужила  толчком к многочисленным исследованиям. Появились точные методы количественного анализа вещества, способствовавшие открытию истинных химических элементов. Были открыты фосфор, кобальт, никель, водород, фтор, азот, хлор и марганец, кислород.

Открыв кислород и установив  его роль в образовании кислот, окислов и воды, выдающийся французский химик А.Л. Лавуазье (1743-1794) опроверг теорию флогистона.

Лавуазье сделал первую попытку  систематизации химических элементов. В свою систему элементов он включил  кислород, водород, азот, серу, фосфор, семь известных в то время металлов, известь, магнезию, глинозем и кремнезем. Однако он ошибочно считал, что известь, глинозем и другие неделимы. Ошибку исправил в дальнейшем Д.И. Менделеев, доказав, что место химического элемента в периодической системе определяется атомной массой и открыв тем самым периодический закон химических элементов (1869 г.).

Более поздние исследования показали, что место элемента в периодической  системе определяется не просто порядковым номером, а зарядом атомного ядра. Это означает, что не атомная масса, а именно заряд ядра обеспечивает индивидуальность химического элемента. Например, изотопы хлора 3717С1 и 3517С1 отличаются друг от друга атомной массой, но тем не менее они оба относятся к одному химическому элементу - хлору. В этой связи можно утверждать, что химический элемент - это совокупность атомов, обладающих одинаковым зарядом ядра.

К настоящему времени сложилось  определенное представление о структуре  атома и ядра и о квантово-механических свойствах составляющих их частиц. Раскрыт физический смысл периодического закона и дано квантово-механическое обоснование строения атомов химических элементов периодической системы Менделеева.

Во времена Менделеева было известно всего 62 элемента. В 1930-е годы система  элементов заканчивалась ураном (Z = 92). В 1940-1945 гг. путем физического  синтеза атомных ядер были открыты  элементы: нептуний, плутоний, америций, кюрий, в 1949- 1952 гг. - берклий, калифорний и фермий, в 1955 г. - менделевий - всего  примерно за 15 лет было открыто 9 элементов. Затем за все последующие 40 лет  было синтезировано только 6 элементов: № 102 - нобелий, № 103 - лауренсий, №104 - кур-чатовий, № 105 - жолиотий, № 106 - резерфордий, № 107 - борий, № 108 - ганий и № 109 - мейтнерий. Все эти элементы крайне неустойчивы. Предполагается, что следующие элементы, которые предстоит обнаружить, будут  также неустойчивыми, хотя и возможны "островки стабильности" даже для сравнительно больших порядковых номеров больше 126. Следует ожидать, что с развитием техники эксперимента будут открыты новые химические элементы.

До недавнего времени химики считали ясным, что следует относить к химическим соединениям, а что - к смесям. Еще в 1800-1808 гг. французский  ученый Ж. Пруст (1754 - 1826) установил закон  постоянства состава: любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным, неизменным составом, прочным притяжением составных частей (атомов) и тем отличается от смесей. На основе идеи об атомическом строении вещества этот закон теоретически обосновал в 1800 - 1810 гг. английский ученый Дж. Дальтон. Он показал, что все индивидуальные вещества в отличие от смесей состоят из однородных мельчайших частиц - "сложных атомов" молекул, которые в свою очередь состоят из простых атомов разных химических элементов.

44.Что выражает первый закон термодинамики?

45.Дайте формулировку второго закона термодинамики.

До  возникновения термодинамики понятие  времени по существу отсутствовало  в классической физике в том виде, в каком оно рассматривается  в реальной жизни и в науках, изучающих процессы, протекающие во времени и имеющих свою историю. Хотя в качестве переменной время входит во все уравнения классической и квантовой механики, тем не менее оно не отражает внутренние изменения, которые происходят в системе. Именно поэтому в уравнениях физики его знак можно менять на обратный, т.е. относить его как будущему, так и к прошлому.

Положение существенно изменилось после того, как физика вплотную занялась изучением  тепловых процессов, законы которых  были сформулированы в классической термодинамике. Если прежняя динамика описывала законы движения тел под воздействием внешних сил, сознательно отвлекаясь от внутренних изменений, происходящих в механических системах, то термодинамика вынуждена была исследовать физические процессы при различных преобразованиях тепловой энергии. Однако она не анализирует внутреннее строение термодинамических систем, как это делает статистическая физика, рассматривающая теплоту как беспорядочное движение огромного числа молекул.

Термодинамика возникла из обобщения многочисленных фактов, описывающих явления передачи, распространения и превращения тепла. Самым очевидным является тот факт, что распространение тепла представляет собой необратимый процесс. Хорошо известно, например, что тепло, возникшее в результате трения или выполнения другой механической работы, нельзя снова превратить в энергию и потом использовать для производства работы. Не менее известно, что тепло передается от горячего тела к холодному, а не наоборот.

С другой стороны, путем точных экспериментов  было доказано, что тепловая энергия превращается в механическую энергию в строго определенных количествах. Существование такого механического эквивалента для теплоты свидетельствовало о ее сохранении. Все эти многочисленные факты и нашли свое обобщение и теоретическое объяснение в законах классической термодинамики:

Если к системе подводится тепло  Q и над ней производится работа W, то энергия системы возрастает до величины U: U= Q + W.

Эту энергию называют внутренней энергией системы, и она показывает, что тепло, полученное системой, не исчезает, а затрачивается на увеличение внутренней энергии и производство работы, т. е. Q = U – W.

Процесс, единственным результатом  которого было бы изъятие тепла из резервуара, невозможен.

Приведенные формулировки отражают связи, которые  существуют между тепловой энергией и полученной за ее счет работой. В  первом законе речь идет о сохранении энергии, во втором – о невозможности производства работы исключительно за счет изъятия тепла из одного резервуара при постоянной температуре. Например, нельзя произвести работу за счет охлаждения озера, моря или иного резервуара при установившейся температуре. Таким образом, второй закон, или начало термодинамики, можно сформулировать проще, как впервые это сделал французский ученый Сади Карно (1796 – 1832).

Невозможно осуществить процесс, единственным результатом которого было бы превращение тепла в работу при постоянной температуре.

Иногда  этот закон выражают в еще более  простой форме:

Тепло не может перетечь самопроизвольно  от холодного тела к горячему.

В дальнейшем немецкий физик Рудольф  Клаузиус (1822 – 1888) использовал для  формулировки второго закона термодинамики  понятие энтропии, которое впоследствии австрийский физик Людвиг Больцман (1844 – 1906) интерпретировал в терминах изменения порядка в системе. Когда энтропия системы возрастает, то соответственно усиливается беспорядок в системе. В таком случае второй закон термодинамики постулирует:

Энтропия замкнутой системы, т.е. системы, которая не обменивается с  окружением ни энергией ни веществом, постоянно возрастает.

А это означает, что такие системы  эволюционируют в сторону увеличения в них беспорядка, хаоса и дезорганизации, пока не достигнут точки термодинамического равновесия, в которой всякое производство работы становится невозможным.

52.Модели происхождения Солнечной системы.

Теория Канта. На протяжении многих веков вопрос о происхождении Земли оставался монополией философов, так как фактический материал в этой области почти полностью отсутствовал. Первые научные гипотезы относительно происхождения Земли и солнечной системы, основанные на астрономических наблюдениях, были выдвинуты только лишь в XVIII веке. С тех пор не переставали появляться все новые и новые теории, соответственно росту наших космогонических представлений.Первой в этом ряду была знаменитая теория, сформулированная в 1755 году немецким философом Иммануилом Кантом. Кант считал, что солнечная система возникла из некой первичной материи, до того свободно рассеянной в космосе. Частицы этой материи перемещались в различных направлениях и, сталкиваясь друг с другом, теряли скорость. Наиболее тяжелые и плотные из них под действием силы притяжения соединялись друг с другом, образуя центральный сгусток - Солнце, которое, в свою очередь, притягивало более удаленные, мелкие и легкие частицы. 
Таким образом возникло некоторое количество вращающихся тел, траектории которых взаимно пересекались. Часть этих тел, первоначально двигавшихся в противоположных направлениях, в конечном счете были втянуты в единый поток и образовали кольца газообразной материи, расположенные приблизительно в одной плоскости и вращающиеся вокруг Солнца в одном направлении, не мешая друг другу. В отдельных кольцах образовывались более плотные ядра, к которым постепенно притягивались более легкие частицы, формируя шаровидные скопления материи; так складывались планеты, которые продолжали кружить вокруг Солнца в той же плоскости, что и первоначальные кольца газообразного вещества.

Небулярная теория Лапласа. В 1796 году французский математик и астроном Пьер-Симон Лаплас выдвинул теорию, несколько отличную от предыдущей. Лаплас полагал, что Солнце существовало первоначально в виде огромной раскаленной газообразной туманности (небулы) с незначительной плотностью, но зато колоссальных размеров. Эта туманность, согласно Лапласу, первоначально медленно вращалась в пространстве. Под влиянием сил гравитации туманность постепенно сжималась, причем скорость ее вращения увеличивалась. Возрастающая в результате центробежная сила придавала туманности уплощенную, а затем и линзовидную форму. В экваториальной плоскости туманности соотношение между притяжением и центробежной силой изменялось в пользу этой последней, так что в конечном счете масса вещества, скопившегося в экваториальной зоне туманности, отделилась от остального тела и образовала кольцо. От продолжавшей вращаться туманности последовательно отделялись все новые кольца, которые, конденсируясь в определенных точках, постепенно превращались в планеты и другие тела солнечной системы. В общей сложности от первоначальной туманности отделилось десять колец, распавшихся на девять планет и пояс астероидов - мелких небесных тел. Спутники отдельных планет сложились из вещества вторичных колец, оторвавшихся от раскаленной газообразной массы планет. Вследствие продолжавшегося уплотнения материи температура новообразованных тел была исключительно высокой. В то время и наша Земля, по П. Лапласу, представляла собой раскаленный газообразный шар, светившийся подобно звезде. Постепенно, однако, этот шар остывал, его материя переходила в жидкое состояние, а затем, по мере дальнейшего охлаждения, на его поверхности стала образовываться твердая кора. Эта кора была окутана тяжелыми атмосферными парами, из которых при остывании конденсировалась вода. Точки зрения Канта и Лапласа в ряде важных вопросов резко отличались. Кант исходил из эволюционного развития холодной пылевой туманности, в ходе которого сперва возникло центральное массивное тело - будущее Солнце, а потом планеты, в то время как Лаплас считал первоначальную туманность газовой и очень горячей с высокой скоростью вращения. Сжимаясь под действием силы всемирного тяготения, туманность, вследствие закона сохранения момента количества движения, вращалась все быстрее и быстрее. Из-за больших центробежных сил от него последовательно отделялись кольца. Потом они конденсировались, образуя планеты. Таким образом, согласно гипотезе Лапласа, планеты образовались раньше Солнца. Однако, несмотря на различия, общей важной особенностью является представление, что Солнечная система возникла в результате закономерного развития туманности. Эти две теории взаимно дополняли друг друга, поэтому и принято называть эту концепцию “гипотезой Канта-Лапласа”.

Возникновение и развитие планетной  системы.

Астрономы прошлого предложили множество теорий образования  Солнечной системы, а в сороковых годах ХХ века советский астроном Отто Шмидт предположил, что Солнце, вращаясь вокруг центра Галактики, захватило облако пыли. Из вещества этого огромного холодного пылевого облака сформировались холодные плотные допланетные тела – планетезимали. В настоящее время общепризнанной является теория формирования планетной системы в четыре этапа. Планетная система формируется из того же протозвездного пылевого вещества, что и звезда, и в те же сроки. Первоначальное сжатие протозвездного пылевого облака происходит при потере им устойчивости. Центральная часть сжимается самостоятельно и превращается в протозвезду. Другая часть облака с массой, примерно в десять раз меньше центральной части, продолжает медленно вращаться вокруг центрального утолщения, а на периферии каждый фрагмент сжимается самостоятельно. При этом стихает первоначальная турбулентность, хаотичное движение частиц. Газ конденсируется в твердое вещество, минуя жидкую фазу. Образуются более крупные твердые пылевые крупинки – частицы. Чем крупнее образовавшиеся крупинки, тем быстрее они падают на центральную часть пылевого облака. Часть вещества, обладающая избыточным моментом вращения, образует тонкий газопылевой слой – газопылевой диск. Вокруг протозвезды формируется протопланетное облако – пылевой субдиск. Протопланетное облако становится все более плоским, сильно уплотняется. Из-за гравитационной неустойчивости в пылевом субдиске образуются отдельные мелкие холодные сгустки, которые, сталкиваясь друг с другом, образуют все более массивные тела – планетезимали. В процессе формирования планетной системы часть планетезималей разрушилась в результате столкновений, а часть объединилась. Образуется рой допланетных тел размером около 1 км, количество таких тел очень велико – миллиарды. Затем допланетные тела объединяются в планеты.

Гипотеза Джинса образования планет Солнечной системы.

Предложенная  в 1916 году Джеймсом Джинсом новая теория, согласно которой вблизи Солнца прошла звезда и ее притяжение вызвало выброс солнечного вещества, из которого в последующем образовались планеты, должна была объяснить парадокс распределения момента импульса. Однако в настоящее время специалисты не поддерживают эту теорию. В 1935 году Рассел предположил, что Солнце было двойной звездой. Вторая звезда была разорвана силами гравитации при тесном сближении с другой, третьей звездой. Девятью годами позже Хойл высказал теорию, что Солнце было двойной звездой, причем вторая звезда прошла весь путь эволюции и взорвалась как сверхновая, сбросив всю оболочку. Из остатков этой оболочки и образовалась планетная система. Остановимся на гипотезе Джинса, получившей распространение в первой трети текущего столетия. Исходная материя, из которой потом образовались планеты, была выброшена из Солнца (которое к тому времени было уже достаточно “старым” и похожим на нынешнее) при случайном прохождении вблизи него некоторой звезды. Это прохождение был настолько близким, что его можно рассматривать практически как столкновение. Благодаря приливным силам со стороны налетевшей на Солнце звезды, из поверхностных слоев Солнца выброшена струя газа. Эта струя останется в сфере притяжения Солнца и после того, как звезда уйдет от Солнца. Потом струя сконденсируется и даст начало планетам.