Тепловое равновесие. Очевидно, что если два тела A и B плотно прижать друг к другу, то, потрогав их спустя достаточно долгое время, мы заметим, что температура их одинакова. В этом случае говорят, что тела A и B находятся в тепловом равновесии друг с другом. Однако тела, вообще говоря, не обязательно должны соприкасаться, чтобы между ними существовало тепловое равновесие, - достаточно, чтобы их температуры были одинаковыми. В этом можно убедиться с помощью третьего тела C, приведя его сначала в тепловое равновесие с телом A, а затем сравнив температуры тел C и B. Тело C здесь играет роль термометра. В строгой формулировке этот принцип называется нулевым началом термодинамики: если тела A и B находятся в тепловом равновесии с третьим телом C, то эти тела находятся также в тепловом равновесии друг с другом. Этот закон лежит в основе всех способов измерения температуры.
Теплота представляет собой одну из форм энергии, а поэтому должна измеряться в единицах энергии. В международной системе СИ единицей энергии является джоуль (Дж). Допускается также применение внесистемных единиц количества теплоты - калорий: международная калория равна 4,1868 Дж, термохимическая калория - 4,1840 Дж. В зарубежных лабораториях результаты исследований часто выражают с помощью т. н.15-градусной калории, равной 4,1855 Дж. Выходит из употребления внесистемная британская тепловая единица (БТЕ): БТЕсредн = 1,055 Дж.
Время выполнения физических упражнений зависит от мощности этих упражнений и скорости (интенсивности) их выполнения.
Т = Р / V. Скорость расщепления зависит от веса, которую необходимо сбросить и энергии расщепления жира и углеводов.
V = m* (m*v2/2) = 0.25 * 0.04*105/2 = 200;
V = 0.2*0.02*105/2 = 40;
Таким образом, t = 700 / 240 = 3 часа.
5. Поясните понятия энтропии и термодинамической вероятности. В чем состоит принцип Больцмана? Что общего между понятиями "энтропия" и "информация"? поясните понятие информация, укажите на ее связь с законом необходимого разнообразия кибернетики.
Энтропия - степень хаоса или беспорядка в системе. Второе начало термодинамики определяет важную тенденцию в эволюции физического мира - с течением времени в замкнутой изолированной системе энтропия должна возрастать. В результате энергии распределяются по рангам так, что высший занимают те, которые способны превратиться в большее число видов энергии. Тогда низший ранг останется теплоте, превращения которой ограничены принципом Карно. Из энергий, встречающихся в физике и химии, высший ранг имеют механическая и электрическая энергии, промежуточный - химическая энергия (из-за тепловых явлений, сопровождающих химические реакции). Психологически удобно, поскольку наш ум привык негативно воспринимать потерю чего-либо, пользоваться величиной, равной энтропии, но с обратным знаком, которую предложил ввести Шредингер. Один из творцов теории информации французский физик Бриллюэн (1889-1969) назвал ее негэнтропией: N = - S. Негэнтропия представляет качество энергии, а принцип Карно выражает закон оценивания энергии, ее деградации. Система, способная производить механическую работу (сжатая пружина, заряженная батарея, поднятый над Землей груз), может рассматриваться как источник негэнтропии, и, совершая работу, она теряет ее запас.
Во второй половине нашего столетия проблема информации стала одной из самых актуальных научных проблем, обсуждаемой в разных аспектах и на разных уровнях. Так, специалист в области передачи информации уделил бы основное внимание, например, количественным характеристикам, кодированию, влиянию шумов, помех, специалист по информатике интересуется поиском и хранением информации, информационным обеспечением науки и т.п.
Развитие науки о системах управления и кибернетики выдвинуло задачу исследования природы и сущности информационных процессов, без которых немыслима работа ЭВМ и систем управления. Исследования генетиков привели к выводу, что в основе биологической наследственности также лежит информация, благодаря которой живое воспроизводит себя в потомстве. В нейрофизиологии представление об информации позволило сформулировать закон о пропорциональности ощущения логарифму возбуждения, поскольку нервные волокна, передающие сигнал от акцепторов к мозгу, действуют по принципу идеального канала связи. Специалист по семантике смотрит на информацию как на систему знаков.
В обыденном сознании, по мнению академика В.М. Глушкова, понятие информации охватывает как те сведения, которыми располагают и обмениваются люди, так и те, что существуют независимо от них. Объем этой информации растет, так что можно говорить об информационном буме.
Прогресс кибернетики связан и с совершенствованием средств оценки измерений информации. Винер, один из создателей этой науки, не дал определения информации, но отметил, что "это не материя, и не энергия", это просто "информация". В 1927 г. Р.В. Хартли предложил исходить из того, что количество информации, заключенной в любом сообщении, связано с количеством возможностей, исключающихся этим сообщением.
Клод Шеннон и Уоррен Уивер в своем фундаментальном труде "Математическая теория связи" (1949 г) развили идею Хартли и представили формулу вычисления количества информации, в которой последняя возрастала с уменьшением вероятности отдельного сообщения. Так информация была ими определена как мера свободы чьего-либо выбора, как логарифм доступных выборов.
В 40-х годах Шеннон, исследуя пропускную способность каналов связи, вывел простую формулу, по которой можно рассчитать количество информации, отвлекаясь от ее качественных характеристик. Количество информации стали понимать как меру упорядоченности структур в противовес мере хаоса - энтропии.
Эта формула была функционально эквивалентна формуле, написанной Планком для термодинамической энтропии. Ряд ученых предполагали огромные возможности, открывающиеся из-за этого совпадения. Другие были осторожными в своих оценках. Эшби, например, заметил: "Движение в этих областях напоминает движение в джунглях, полных ловушек".
6. Что такое - фазовое равновесие, перегретая жидкость? Опишите физическую картину процесса кипения. Как зависит точка кипения от внешнего давления? Какое значение в природе имеют процессы сублимации и десублимации? Приведите примеры.
Нальем в сосуд водопроводной воды и поместим над горелкой. Вскоре на дне и стенках сосуда мы заметим многочисленные пузырьки. Они содержат водяной пар и воздух, который всегда растворен в воде за счет явления диффузии.
Рассмотрим пузырек, возникающий около горячего дна. Увеличиваясь в объеме, пузырек увеличивает площадь своего соприкосновения с еще недостаточно прогревшейся водой. В результате воздух и пар внутри пузырька охлаждаются, их давление уменьшается, и тяжесть слоя воды "захлопывает" пузырек. В этот момент закипающая вода издает характерный шум. Он возникает из-за ударов воды о дно сосуда там, где захлопываются пузырьки. Постепенно вода прогревается, и давление пара внутри пузырьков уже не уменьшается. Пузырьки перестают схлопываться и начинают расти. С этого момента шум становится тише. По мере увеличения объема пузырьков возрастает архимедова сила, и они начинают всплывать.
Итак, кипением называется интенсивное (бурное) парообразование, происходящее по всему объему жидкости внутрь возникающих и всплывающих на поверхность многочисленных пузырей пара.
Опыты показывают, что во время кипения температура жидкости и пара над ее поверхностью одинакова и остается постоянной до полного выкипания жидкости. Поэтому температура кипения - одна из характеристик вещества.
По мере кипения масса жидкости уменьшается (говорят, что она "выкипает"). Пар, покидающий сосуд, уносит с собой часть внутренней энергии. Поэтому для поддержания кипения жидкости необходимо постоянно передавать ей теплоту. Измерив массу выкипевшей жидкости, легко подсчитать количество теплоты, затраченное на образование пара. Для этого служит формула Q=rm, изучение которой предусмотрено на факультативных занятиях.
Кипение не при атмосферном давлении. Оказывается, что слова "кипяток" и "горячий" - не синонимы, то есть имеют разный смысл. Чтобы уяснить эту разницу, рассмотрим опыт. Возьмем колбу и вскипятим в ней воду. Немного подождем, чтобы вода чуть-чуть остыла, а затем закроем колбу пробкой с трубкой, присоединенной к насосу. Откачав из колбы воздух, мы заставим воду кипеть вновь!
Итак, опытным путем мы установили, что при уменьшении давления жидкость начинает кипеть при меньшей температуре. Будет верным и обратное утверждение: увеличение давления на поверхность жидкости приведет к возрастанию температуры ее кипения. Объясним этот факт.
Рассмотрим давление, воздействующее на зарождающийся пузырек пара. Оно складывается из гидростатического давления слоя жидкости (pж=rgh) и внешнего давления (pатм = 101,3 кПа), которое передается пузырьку через слой жидкости согласно закону Паскаля. Если какое-либо из этих давлений вдруг уменьшится, то давление пара внутри пузырька сможет расширять его даже при меньшей температуре, что мы и наблюдали на опыте. И наоборот: увеличение давления на зарождающийся пузырек (например, по причине толстого слоя налитой воды) приведет к необходимости прогрева жидкости до более высокой температуры. Только в этом случае давление пара сможет расширять пузырьки, заставляя воду кипеть.
Сублимация - это переход состояние через фазу - т.е. из твердого в газообразное. Десублимация - переход агрегатного состояния через фазу в обратном направлении - из газообразного в твердое. Переход вещества из твердого состояние непосредственно в газообразное можно наблюдать, например, в оболочках кометных хвостов. Когда комета находится далеко от Солнца, почти вся ее масса сосредоточена в ядре. Ядро окружено небольшой оболочкой газа. При сближении кометы с Солнцем ядро и оболочка кометы начинают нагреваться, вероятность сублимации растет, а десублимации - уменьшается.
7. Поясните смысл понятия "фотон". Какие явления, и каким образом были объяснены с помощью квантовой теории света?
В современной физике фотон рассматривается как одна из элементарных частиц, которая обладает следующими свойствами :
Фотон является электрически нейтральной частицей, т.е. его заряд равен нулю (q = 0).
Во всех системах отсчета скорость фотона равна скорости света в вакууме (м = с).
Энергия фотона пропорциональна частоте электромагнитного излучения, квантом которого он является (Е = hv).
Импульс фотона равен отношению его энергии к скорости и обратно пропорционален длине волны
Рассмотрение электромагнитного поля даже в рамках классической теории позволяет приписать ему "традиционные" для частиц характеристики: энергию и импульс. Квантованный характер обмена энергией между веществом и полем и открытые законы фотоэффекта делали весьма соблазнительной идею рассмотрения поля как совокупности частиц фотонов, рождающихся и гибнущих при излучении и поглощении света соответственно. Поскольку скорость распространения электромагнитного поля в вакууме совпадает с предельным значением с, фотон является ультрарелятивистской частицей с равной нулю массой покоя: в противном случае импульс фотона был бы бесконечно большим, и процедура загорания на пляже не доставляла бы нам ни малейшего удовольствия:
Страницы: 1, 2, 3, 4
