КАТЕГОРИИ: Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748) |
Энергетический баланс в термодинамической системе. Первый закон термодинамики
Если система не замкнута, то она может взаимодействовать с окружающими подсистемами, входящими в общую систему, и ее внутренняя энергия, в общем случае для незамкнутых процессов, не сохраняется. Это взаимодействие может происходить не только путем обмена энергией излучения (dQ), совершения работы (dA), но и при обмене веществом, входящим в состав системы. Тогда количество вещества (ν) становится переменной состояния. В этом случае каждый моль вещества уносит часть внутренней энергии и можно записать, что, где коэффициент пропорциональности μ называется химическим потенциалом вещества и показывает, насколько меняется внутренняя энергия системы при изменении количества вещества на величину одного моля. Если система не обменивается с окружающими системами количеством вещества (ν = const), то внутренняя энергия изменяется за счет подводимого количества теплоты или совершения работы. Закон сохранения и превращения энергии требует, чтобы соблюдался энергетический баланс, то есть между всеми перечисленными видами энергий должно существовать равенство между потреблением энергии и ее расходом. Тогда можно записать: dQ = dU + dA Работа, как и количество теплоты, является функцией процесса и, в общем случае, не должна являться функцией состояния, хотя и зависит от параметров системы. Из определения работы в механике, легко получить выражение для величины работы газа, в частном случае, при его расширении (рис. 2): dA = Fxdx = pSdx = pdV.
К расчету величины работы газа при его расширении: S – площадь сечения поршня, dx – перемещение поршня, Fx – проекция силы давления
Отсюда следует, что величина работы, как и количество теплоты, не есть функция состояния системы. Они являются функциями процессов теплопередачи и совершения работы. Тем не менее, эти величины в процессах также меняются, как и внутренняя энергия, поэтому их будем обозначать вариациями величины δQ и δА. Запись энергетического баланса, таким образом, следует изменить. Тогда получим другую форму записи закона сохранения и превращения энергии:
δQ = dU + δА. Окончательно (после Майера и Джоуля), этот закон, называемый первым законом термодинамики, в современной трактовке предложенной Гельмгольцем будет читаться следующим образом: количество теплоты, полученное системой, расходуется на изменение внутренней энергии системы и/или на совершение ею работы. Запишем, в качестве примера, первый закон термодинамики для одного цикла работы тепловой машины следующим образом:, откуда следует, что Можно записать, что QЦ = AЦ или QН – QX = AЦ . Полученный результат позволяет определить коэффициент полезного действия тепловой машины стандартным образом как отношение полезной работы в цикле AЦ к энергии полученной от нагревателя QН: . С практической точки зрения, возникает задача поиска оптимального цикла с максимальным коэффициентом полезного действия.
Структурная схема тепловой машины Цикл Карно Эта задача была решена Карно, и соответствующий цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат, носит его имя. Вычислим коэффициент полезного действия цикла Карно, определенного двумя температурами: температурой нагревателя ТН (изотермический процесс 1-2) и температурой холодильника ТХ (изотермический процесс 3-4). В изотермическом процессе 1-2 внутренняя энергия рабочего тела (газа) не меняется и положительная работа по его расширению совершается за счет подведенного количества теплоты. В адиабатном процессе 2-3 количество теплоты не подводится к газу и он совершает работу за счет убыли внутренней энергии, в результате чего температура газа уменьшается. В изотермическом процессе 3-4 над газом совершается работа по сжатию газа и эта энергия передается холодильнику. Наконец, в процессе 4-1 дальнейшее сжатие газа приводит к повышению температуры за счет работы над газом и рабочее тело возвращается в исходное состояние.
Введем обозначения: Т1 = Т2 = ТН; Т3 = Т4 = ТХ. Так как работа складывается по процессам, то расчет этой величины в цикле произведем следующим образом:
Для двух адиабатных процессов можно записать два простых уравнения TVγ-1=const. и вычислить соотношения между объемами во всех отмеченных точках процесса: . Тогда для к.п.д. цикла Карно, используя полученные равенства, получим следующее выражение: . Полезная работа в цикле на графике процесса геометрически определяется площадью, заключенной внутри цикла Карно. Для доказательства этого, произведем вычисление работы в цикле интегрированием по элементарной работе на каждом участке процесса в заданных пределах. Получим следующее выражение:
Из простых геометрических соображений видно, что на рисунке, изображающем цикл Карно, полученная величина SЦ соответствует заштрихованной площади внутри цикла.
Лекция 12. Структуры в Общем Естествознании. План лекции: 1. Введем понятие Структуры в Естествознании 2. Рассмотрим примеры молекулярных структур Введем понятие о Структуре, как множестве элементов с определенным отношением связи между ними. В качестве элементов структуры в природе могут выступать элементарные частицы, атомы, молекулы, клетки, объединяемые одним или несколькими типами взаимодействия. В обществе, структуры социальные, экономические, политические строятся по тому же принципу, если учесть, что существуют и нефизические типы отношений и взаимодействий, например, «общие интересы».
Связи, существующие между элементами структуры, характеризуются количественно с помощью соответствующих параметров. Так например, в молекулярных структурах электромагнитный тип взаимодействия позволяет ввести параметры энергии связи между атомами, длины связи (расстояния между атомами), углы между связями и т.п.. Динамические, подвижные структуры характеризуются динамическими параметрами (частотами колебаний, например), зависящими от времени. Естественно назвать такие феноменологически выделенные параметры, структурными параметрами. Сохранение во времени структурных параметров, в условиях каких либо воздействий, характеризует устойчивость структуры. Если поведение системы моделируется с помощью уравнений, то наличие "устойчивых" решений этих уравнений определяется математическими критериями устойчивости, разработанными Ляпуновым. Проверка на устойчивость осуществляется анализом малых отклонений параметров состояния системы.
Под влиянием внутренней неустойчивости, либо благодаря внешним воздействиям, структура может совершать как плавные переходы с непрерывным изменением параметров, так и относительно резкие "скачки" с перестройкой структуры (фазовые переходы). Если структура имеет набор возможных состояний, то управление переходами между ними позволяет кодировать информацию в той или иной форме. Тогда говорят, что на структуре производится "запись" информации. Хорошо известен способ записи на магнитную ленту или диск: маленькие кристаллические домены ориентируются по направлению управляющего магнитного поля, либо не намагничиваются. При «считывании» информации в «магнитной головке» наводятся токи, величина которых соответствует записи. Если на множестве элементов в принципе невозможно записать никакой информации, то такое состояние множества будем считать "бесструктурным" (по этому поводу можно привести подходящую к случаю поговорку: «На воде вилами написано»).
При записи информации каждому состоянию структуры ставится в соответствие кодирующий символ (иногда просто число). Единица измерения информации – 1 бит определена в математике как одно из двух возможных состояний структуры или системы. Например, информация в 1 бит снимает неопределенность в испытаниях с двумя возможными исходами при игре с монетой: «орел или решка?». Если мы узнали, что выпал «герб», то при этом мы получили информацию в 1 бит. Или, как сказал Господь: «Говорите «да – да», «нет – нет», а все остальное от лукавого» и тем самым ввел в наше сознание единицу измерения информации, либо «да», либо «нет». Если множество элементов характеризуется минимальной (единичной) информационной емкостью, то структура элементарна. Структура монеты, естественно, элементарна.
Простой будем считать структуру, на состояниях которой записываются единицы информации. Соответственно, сложной является структура, на которой удается записать большое количество информации. О количестве информации мы будем говорить в одном из следующих пунктов, касающегося меры беспорядка - энтропии и ее связи с информацией. На рисунке приведены примеры форм кристаллических структур в виде многогранников и молекулярная структура ДНК.
Четыре органических молекулы: аденин, тимин, гуанин и цитозин «кодируют» информацию, записанную на структуре ДНК.
Молекулярная структура комплекса гексакарбамида кобальта (будет изучена в лабораторной работе).
Структура нанокластера антрацена (для лабораторной работы)
Фрактальная структура с симметрией оси пятого порядка.
Лекция 13. Системы в Общем Естествознании. План лекции: 1. Введем понятие Системы 2. Рассмотрим примеры Систем.
Часто употребляемое понятие Системы отличается от понятия Структуры тем, что множество элементов в системе также как и в структуре определяется заданным отношением между ними, но эти отношения не обязательно имеют характер связи, взаимодействия. Элементы могут быть и физически независимыми. Отношения в Системе определяют иерархическую подчиненность элементов, выделяя главное, основное и не основное. Системные отношения выстраивают структурные уровни по их важности, которые называются таксонами. Системность особенно характерна для социальных, экономических структур и группировок в животном мире. Структура является системным понятием в том случае, когда она является элементом системы и отражает иерархические связи. В каждой системе можно выделить системообразующий фактор, как важнейший принцип ее построения.
Приведем всем известные примеры систем.
1. Солнечная система. Элементы: Солнце, планеты, астероиды, метеорные тела, кометы и др.
Основным системообразующим фактором в Солнечной системе является гравитационное взаимодействие, удерживающее планеты на их орбитах вокруг Солнца. Поэтому наша звезда – Солнце – основной элемент системы. Подобным образом устроены и другие звездные системы в космическом пространстве.
2. Система государственной власти в РФ.
Система власти построена по принципу «вертикали». Основным элементом в этой системе играет Президент РФ. Существует проблема соотношения между системой и ее элементами: определяются ли полностью свойства системы свойствами ее элементов или отношениями между ними? В чем заключается главный системообразующий принцип? На каком уровне сложности свойства системы начинают определять ее функцию, то есть, «роль» или «предназначение»? Во многих случаях эти вопросы еще далеки от разрешения. Очевидно, что для системы существенным фактором является не то, что представляет собой элемент и не то, как элемент относится к другим элементам, а какое место занимает элемент в системе: важна не совокупность элементов, а их «целостность», то есть принадлежность к системе. Анализируя примеры с разбиением плоскости на полимино (рис.10 - рис.13), можно, казалось бы, сделать предположение о том, что форма роста системы не зависят от формы элемента зародыша – полимино. В то же время, для заданной формы полимино в плоскости реализуется не любая мозаика, что говорит о зависимости конечного результата (образования системы твердого тела) от свойств элемента. Демонстрация соотношения система – структура – свойства с помощью мозаик оправдана тем, что при замене полимино на область пространства, занятую атомом, молекулой или комплексным ионом, мы моделируем строение вещества моно-, поли-, квазикристаллов, структурная организация которых подчиняется кристаллохимическому принципу плотнейшей упаковки.
Лекция 14. Рост структур. План лекции: 1. Рассмотрим примеры роста структур 2. Рассмотрим примеры моделирования роста структур.
Дата добавления: 2013-12-13; Просмотров: 1863; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы! Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет |