Файл: Мет.ук.ст. КСЕ 11НИБ экономика.doc

Статистическая физика теоретически объясняет понятия и выводы термодинамики. С точки зрения статистического подхода переход макросистемы из неравновесного в равновесное состояние означает, что при фиксированных внешних термодинамических параметрах в определенный момент распределение частиц системы по скоростям, энергиям, координатам перестает зависеть от времени и начальных условий.

Сформулируем основные положения молекулярно – кинетической теории (МКТ) строения и тепловых свойств вещества:

1. вещество состоит из большого числа частиц - атомов и молекул;

2. между этими частицами действуют силы притяжения и отталкивания;

3. частицы хаотически движутся;

4. интенсивность хаотического движения молекул и атомов определяет температуру.

  Термодинамическое и статистическое понимание основных определений и понятий, используемых для описания макросистем, взаимосвязаны.

Например, с позиций МКТ, внутренняя энергия макросистемы - это сумма потенциальной энергии взаимодействия частиц этой системы и кинетической энергии их теплового движения. Средняя кинетическая энергия хаотического движения частиц пропорциональна абсолютной температуре T, а потенциальная энергия их взаимодействия зависит от расстояний между частицами, т.е. от объема V, который занимает система из N частиц. Поэтому в термодинамике внутренняя энергия U системы определяется как функция ее макроскопических параметров T и V: U = U(T,V).

Согласно первому началу термодинамики, тепло Q, полученное системой, расходуется на изменение ее внутренней энергии U и на совершение этой системой работы А:

Q=U+A.

Первое начало термодинамики устанавливает невозможность создания вечного двигателя 1-го рода – устройства, совершающего работу без подвода энергии. Если этот закон (а он представляет собой одну из формулировок закона сохранения и превращения энергии) применить к тепловой машине, то получится, что от нее нельзя получить больше работы, чем допускает запас тепловой энергии ее нагревателя. И как было отмечено выше, всю энергию нагревателя в соответствии со вторым началом термодинамики нельзя превратить в полезную работу.

Р.Клаузиус в 1865 г. дал общую формулировку первого и второго начал термодинамики: в замкнутой системе полная энергия сохраняется, а полная энтропия не убывает.

Третье начало термодинамики сформулировано М.Планком следующим образом: энтропия равновесной системы стремится к 0 при стремлении температуры к абсолютному нулю. Однако его открытие связано с работами немецкого физика В.Нернста (1864-1941), который в начале ХХ в. экспериментально установил, что теплоемкость (способность тел охлаждаться и нагреваться) при температурах, близких к абсолютному нулю (0 К или –273⁰С), становится очень малой. Согласно формулировке В.Нернста: нельзя изобрести приспособление, отнимающее всю теплоту у системы, т.е. охлаждающее тело до температуры абсолютного нуля. Гипотезу о существовании в природе абсолютного нуля температур выдвинул в ХVIII в. русский ученый М.В.Ломоносов (1711-1765). Он называл такое состояние «последней степенью холода».

РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О СТРОЕНИИ ВЕЩЕСТВА

Первые представления о строении вещества. Гипотезы об атомном (дискретном) строении вещества возникли в глубокой древности. Атомы рассматривались древними мыслителями как мельчайшие неделимые частицы вещества.

Считается, что сторонниками атомистических представлений о строении вещества были древнеиндийский мудрец Канада (VIIвек до н.э.), древнегреческие мыслители Левкипп, Демокрит и Эпикур (V–IVвека до н.э.). Существует легенда, что однажды Демокрит (ок. 470–370 до н.э.) сидел на берегу моря, держал в руке яблоко и размышлял: «Если я сейчас разрежу это яблоко пополам – у меня останется половина яблока; если я затем эту половину снова разрежу на две части – останется четверть яблока; но если я дальше буду продолжать такое деление, всегда ли у меня будет оставаться 1/8, 1/16 и т.д. часть яблока? Или же в какой-то момент очередное деление приведет к тому, что оставшаяся часть уже не будет обладать свойствами яблока?» Демокрит пришел к выводу, что предел такого деления существует, и назвал эту последнюю, неделимую частицуатомом («неразрезаемый»). Он и другие представители древней натурфилософии считали, что все тела в природе состоят из атомов разной формы и размеров, и в этом видели причину их качественных различий.

Противоположной точки зрения придерживался древнегреческий философ Аристотель (384–322 до н.э.), который был сторонником идеи о бесконечной делимости вещества и видел причину качественных различий природных тел в присутствии в этих телах различных элементов, которые являются носителями определенных качеств. В учении Аристотеля этими элементами были вода, огонь, воздух, земля и духовный элемент «квинтэссенция».

Господствующим стало представление Аристотеля, т.к. он имел огромный авторитет в обществе и был близок к властям (Аристотель являлся учителем Александра Македонского). Сочинения Демокрита и других древних атомистов уничтожались. Поэтому их учения сохранились только во фрагментах и свидетельствах современников, а в Европе узнали о них из поэмы древнеримского поэта Тита Лукреция Кара (99–55 до н.э.) «О природе вещей».

В средние века учение об элементах возродили алхимики, которые вслед за Аристотелем под элементами понимали определенные качества. Так, с ртутью они связывали металлический блеск, с серой – горючесть, а с солью – растворимость. Алхимики были убеждены, что, смешав эти качества в определенных пропорциях, можно получить любое вещество в природе (таким способом средневековые алхимики изобрели спирт). Основная заслуга алхимиков состоит в том, что их стихийное экспериментирование привело постепенно к накоплению фактов, без которых химия не возникла бы.

В XVIIвеке идею об атомах возродил французский философ и просветитель П.Гассенди (1592–1655), который в 1647 г. издал книгу с изложением атомистических представлений. В то время это имело огромный риск, т.к. в соответствии со средневековыми традициями гипотезы и факты науки преследовались, если они противоречили общепризнанным догмам.

Атомную гипотезу приняли передовые ученые того времени, и, прежде всего, английский ученый И.Ньютон (1643–1727), поверивший в нее, несмотря на то, что утверждал: «Гипотез не строю!»

Развитие учений о строении вещества в XVII–XIX веках. ВXVII–XVIIIвеках алхимию и натурфилософию заменили физика и химия. Период превращения химии в подлинную науку завершился во второй половинеXVIIIвека, когда М.В.Ломоносовым и французским ученым А.Л.Лавуазье (1743-1794) был сформулированзакон сохранения массы в химических реакциях. А.Л.Лавуазье впервые выделил элементы из химических соединений.

В 1827 г. появилось первое экспериментальное подтверждение атомной гипотезы. Шотландский ботаник Р.Броун (1773–1858), наблюдая в микроскоп за частицами пыльцы растений в жидкости, обнаружил, что они беспорядочно двигаются. Такое движение было названо броуновским. Сторонники концепции атомизма считали, что оно происходит под действием беспорядочных соударений невидимых в микроскоп молекул жидкости (идея о беспорядочном движении частиц вещества была впервые высказана М.В.Ломоносовым вXVIIIвеке).

В 1865 г. австрийский ученый Й.Лошмидт (1821–1895) определил, что размеры атомов приблизительно равны 10^–8см, а масса атома водорода составляет 10^–24г.

Первые представления о химической связи появились в работах русского химика А.М.Бутлерова (1828–1886), который в 1861 г. сформулировал основные положения теории химического строения вещества:

1). Химическое строение – это порядок соединения атомов в молекуле и характер их связей. Химическое строение выражается структурной формулой. Атомы в молекулах взаимно влияют друг на друга.

2). Химическое строение вещества определяет его свойства: т.е. химические свойства вещества зависят от вида и количества атомов в молекулах, от типов химических связей атомов в молекулах, а также от пространственного расположения атомов в молекулах.

На основе этой теории были предсказаны новые вещества и синтезированы различные красители для тканей, лекарственные препараты, взрывчатые вещества, искусственный шелк и т.д.

В 1869 г. русский ученый Д.И.Менделеев (1834–1907) разработал Периодическую систему химических элементов(тогда известно было 63 элемента), из которой следовало, что атомы имеют единую природу, а их свойства периодически меняются. Д.И.Менделеев расположил элементы в таблице согласно возрастанию их атомной массы и присвоил каждому элементу порядковый номер. Только 36 из 63 элементов подчинялись в системе Д.И.Менделеева принципу возрастания атомной массы. Для 5 предсказанных элементов он оставил в таблице пустые места. Согласно современной формулировкеПериодического закона,свойства химических элементов, а также свойства образованных из этих элементов веществ находятся в периодической зависимости от заряда ядра атома элемента, равного его порядковому номеру в таблице Д.И.Менделеева.

Модели атомов. До концаXIXвека атомы считали неделимыми твердыми шариками.

В 1834 г. английский физик М.Фарадей (1791–1867) установил законы электролизаи ввел понятие заряженного атома –иона. В опытах по изучению электролиза он впервые определил количество электрического заряда, равное е = 1.6 • 10^–19Кл. Заряда меньшего, чем этот элементарный заряд, обнаружить в природе до сих пор не удалось. В 1891 г. это наименьшее количество заряда получило названиеэлектрон.

В 1896 г. французским ученым А.А.Беккерелем (1852–1908) было обнаружено испускание солью урана особых невидимых лучей сильной проникающей способности. Так было открыто новое явление, названное в 1898 г. М.Склодовской-Кюри (1867–1934) радиоактивностью. За изучение этого явления А.А Беккерелю и супругам П.Кюри (1859–1906) и М.Склодовской-Кюри в 1903 г. была присуждена Нобелевская премия по физике.

В дальнейшем исследование радиоактивности показало, что оно обусловлено самопроизвольным распадом атомов на заряженную частицу, которая воспринимается как радиоактивное излучение, и атом другого элемента, по своим химическим свойствам отличный от исходного; образовавшийся при распаде атом также может оказаться радиоактивным и испытать дальнейший распад. К таким выводам о природе радиоактивности пришли английские ученые Э.Резерфорд (1871–1937) (Нобелевская премия 1908 г.) и Ф.Содди (1877–1956) (Нобелевская премия 1921 г.).

В настоящее время установлено, что радиоактивные процессы могут быть следующих видов: -распад(образуются ядро гелия₂Не⁴, которое называется α-частицей, и ядро нового элемента),-распад(образуются ядро нового элемента и электроны с антинейтрино или позитроны с нейтрино),-излучение(ядро элемента переходит в состояние с меньшей энергией, и излучается квант электромагнитного излучения),спонтанное деление ядер(образуются ядра новых элементов, нейтрон, и излучается гамма-квант),протонная радиоактивность(образуются ядро нового элемента и протон),кластерная радиоактивность(образуются дочернее ядро и кластеры – ядра элементов с массовыми числами от 14 до 34).

Подтверждения о том, что атом имеет структуру, были получены при изучении катодных лучей, возникающих при электрическом разряде в разреженных газах. Оказалось, что катодные лучи – это поток быстрых отрицательно заряженных частиц, размер которых много меньше размера атома. В 1897 г. английскому физику Дж.Дж.Томсону (1856–1940) (Нобелевская премия 1906 г. по физике) удалось определить заряд и массу этих частиц, являющихся составной частью всех атомов. Оказалось, что масса таких частиц приблизительно в тысячу раз меньше массы атома водорода, а заряд по модулю равен е. Так был экспериментально открыт электрон.Современные значения заряда и массы электрона:е= –1,601•10^-19Кл,m_е=9,109 •10^-31кг.

В 1904 г. Дж.Дж.Томсон предложил модель атома, в которой внутри положительно и равномерно заряженного атома-шара диаметром 10^-8см плавают отрицательно заряженные электроны, упруго связанные с ним; суммарный заряд электронов по модулю равен заряду шара, так что в целом атом электрически нейтрален. В модели Томсона предполагалось, что под действием внешних сил электроны совершают колебания, которые являются ускоренными движениями. А любая ускоренно движущаяся заряженная частица, согласно электромагнитной теории английского физика Дж.К.Максвелла (1831–1879), должна излучать энергию. Таким образом, с помощью модели Томсона можно было объяснить излучение света атомами различных веществ. Положительно заряженных частиц внутри атома эта модель не предполагала, хотя к тому времени экспериментально было обнаружено испускание радиоактивными веществами α-частиц, имеющих положительный электрический заряд.