Первый закон термодинамики, закон Пауля

Первый закон  термодинамики

Первое начало термодинамики  — один из трёх основных законов  термодинамики, представляет собой  закон сохранения энергии для  термодинамических систем.

Первое начало термодинамики  было сформулировано в середине XIX века в результате работ немецкого  учёного Ю. Р. Майера, английского  физика Дж. П. Джоуля и немецкого  физика Г. Гельмгольца. Согласно первому  началу термодинамики, термодинамическая  система может совершать работу только за счёт своей внутренней энергии  или каких-либо внешних источников энергии. Первое начало термодинамики  часто формулируют как невозможность  существования вечного двигателя  первого рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника.

Первый закон  термодинамики гласит, (4 разные формулировки) что :

Энергия не может быть создана  или уничтожена (закон сохранения энергии), она лишь переходит из одного вида в другой в различных физических процессах. Отсюда следует, что внутренняя энергия изолированной системы  остается неизменной.

Количество теплоты, полученное системой, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение работы против внешних сил.

Изменение внутренней энергии  системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме  работы внешних сил и количества теплоты, переданной системе и не зависит от способа, которым осуществляется этот переход.

Изменение внутренней энергии  неизолированной термодинамической  системы равно разности между  количеством теплоты, переданной системе, и работой, совершенной системой над внешними силами.

Первый закон термодинами  гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена. Таким  образом, энергия системы (замкнутой) - постоянна. Тем не менее, энергия  может быть передана от одного элемента системы другому. Рассмотрим замкнутую  систему, изолированную от остальных.

Передача энергии между  различными подсистемами в ней может  быть описана как :

E1 = E2       

где

E1 = начальная энергия

E2 = конечная энергия

Внутрення энергия включает :

Кинетическую энергию  движения атомов

Потенциальную энергию хранящуюся в химических связях

Гравитационную энергию  системы

Первый закон является основой для термодинамической  науки и инженерного анализа.

Базируется на возможных  типах обмена (энергии), ниже приведены 3 типа систем:

пред - изолированные системы (isolated systems): отсутствует обмен элементами системы или энергией

закрытые системы (closed systems): отсутствует обмен элементами системы, но присутствует некоторый обмен  энергией

открытые системы (open systems): возможен обмен как элементами системы, так и энергией

Первый закон термодинамики  помогает использовать ключевые концепции  внутренней энергии (internal energy), тепла (heat), и работы системы (system work). которые  широко используются в описании тепловых систем (heat engines).

Внутренняя энергия ( Internal Energy) - Внутренняя энергия определяется как энергия случайных, находящихся  в неупорядченном движении молекул. Энергия молекул находится в  диапазоне от высокой, необходимой  для движения, до заметной лишь с  помощью микроскопа энергии на молекулярном или атомном уровне. Например, у  стакана с водой комнатной  температы, стоящего на столе нет, на первый взгляд, никакой энергии: ни кинетической, ни потенциальной относительно стола. Но, с помощью микроскопа становится заметна "бурлящая" масса быстро двигающихся молекул. Если выплеснуть воду из стакана, эта микроскопическая энергия не обязательно заметно  изменится, когда мы усредним добавленную  кинетическую энергию на все молекулы воды.

Тепло - Тепло может быть определено, как энергия, передаваемая от объекта с более высокой  температурой к объекту с менее  высокой температурой. Сам по себе объект не обладает "теплом"; соответствующий  термин для микроскопической энергии  объекта - внутренняя энергия. Внутренняя энергия может увеличиваться  путем переноса энергии к объекту  от объекта, имеющего температуру выше - этот процесс называется нагревом.

Работа - Когда работа совершается  термодинамической системой (чаще всего  это газ, который совершает работу), то работа совершенная газом при  постоянном давлении определяется как : W = p dV, где W - работа, p - давление, а dV -изменение  объема.

В случаях когда давление не является постоянным, работа может  быть представлена интегральным образом, как площадь поверхности под  кривой в координатах давление, объем, которые представляют происходящий процесс.

Изменение внутренней энергии  системы равно теплу (добавленному системе) минус работа, совершенная  системой

dE = Q - W       

где

dE = изменение внутренней  энергии

Q = добавленное тепло

W =работа системы

1й закон не дает  информации о характере процесса  и не определяет конечного  состояния равновесия. Интуитивно  мы понимаем, что энергия переходит  от объекта с более высокой  температурой к объекту с менее  высокой температурой. Таким образом, 2й закон нам нужен для получения  информации о характере процесса.

Энтальпия -это "термодинамический  потенциал " используемый в химической термодинамике реакций и не циклических  процессов.

однозначная функция состояния  термодинамической системы при  независимых параметрах энтропии и  давления, связана с внутренней энергией соотношением, приведенным ниже.

это свойство вещества, указывающее  количество энергии, которую можно  преобразовать в теплоту.

Энтальпия определяется как:

H = U + PV       

где

H = энтальпия

U = внутренняя энергия

P = давление

V = объем системы

При постоянном давлении изменение  энтальпии равно количеству теплоты, подведенной к системе, поэтому  энтальпию часто называют тепловой функцией или теплосодержанием. В  состоянии термодинамического равновесия энтальпия системы минимальна.

Энтальпия является точно  измеряемым параметром, когда определены способы выражения трех других поддающихся  точному определению параметров формулы выше.

Энтропия.

Термин "энтропия" - величина, характеризующая степень неопределенности системы.

Однако, в термодинамике  это понятие используется для  определения связанной энергии  системы. Энтропия определяет способность  одной системы влиять на другую. Когда объекты пересекают нижнюю границу энергетического уровня необходимого для воздействия на окружающую среду, энтропия возрастает.Энтропия связана со вторым законом термодинамики.

Энтропия (обычно обозначается S), функция состояния термодинамической  системы, изменение которой dS в равновесном  процессе равно отношению количества теплоты dQ, сообщенного системе или  отведенного от нее, к термодинамической температуре Т системы.

в символьном виде записывается, как

dS=(dQ)/T

где

dS - изменение термодинамической системы

dQ - количество теплоты, сообщенное системе

T - термодинамическая температура систем

Неравновесные процессы в  изолированной системе сопровождаются ростом энтропии, они приближают систему  к состоянию равновесия, в котором S максимальна (закон неубывания энтропии).

Для вселенной в целом  энтропия возрастает.

Принцип Паули  и состояние электронов в атомах

При́нцип Па́ули (принцип  запрета) — один из фундаментальных  принципов квантовой механики, согласно которому два и более тождественных  фермиона (частиц с полуцелым спином) не могут одновременно находиться в  одном квантовом состоянии.

Принцип был сформулирован  для электронов Вольфгангом Паули  в 1925 г. в процессе работы над квантомеханической интерпретацией аномального эффекта  Зеемана и в дальнейшем распространён  на все частицы с полуцелым  спином. Полное обобщённое доказательство принципа было сделано им в 1940 г. в рамках релятивистской квантовой механики: волновая функция системы фермионов является антисимметричной относительно их перестановок, поведение систем таких частиц описывается статистикой Ферми — Дирака.

Принцип Паули можно сформулировать следующим образом: в пределах одной  квантовой системы в данном квантовом  состоянии может находиться только одна частица, состояние другой должно отличаться хотя бы одним квантовым  числом.

Пользуясь принципом Паули, можно найти максимальное число  электронов в атоме, имеющих заданные значения трех (n, l, m), двух (n, l) и одного (n) квантовых чисел. Найдем максимальное число электронов Z(n, l, m), находящихся в состояниях, определяемых набором трех квантовых чисел (n, l, m), т.е. отличающихся лишь ориентацией спинов электронов. Так как число m_s может принимать значения   и  , то, очевидно, имеем

Вычислим далее максимальное число электронов Z(n, l), находящихся в состояниях, определяемых двумя квантовыми числами: n и l. Так как при заданном числовом значении l вектор момента импульса   может иметь (2l + 1) различных ориентаций в пространстве, то число таких электронов равно

Значения максимального  числа электронов Z(n, l) для различных значений квантового числа l приведены в таблице 1.

Найдем максимальное число Z(n) электронов, находящихся в состояниях, определяемых заданным значением главного квантового числа n. Так как число l при заданном значении n изменяется от 0 до (n – 1), то, суммируя Z(n, l) по значениям l от 0 до (n – 1), получим

Таблица 1

Принято говорить, что электроны  в атоме, занимающие совокупность состояний  с одинаковым значением главного квантового числа n, образуют электронный слой или оболочку. В зависимости от значений числа n различают следующие слои (оболочки): К (n = 1) , L (n = 2), М (n = 3), N (n =4) и т.д. по алфавиту.

В таблице 2 приведены значения максимального числа электронов, находящихся в состояниях, характеризуемых  данными значениями главного n и орбитального l квантовых чисел.

Таблица 2

Большим успехом физики явилось  теоретическое истолкование периодической  системы элементов Менделеева. Оно  основано на следующих положениях:

1. Порядковый номер химического элемента равен общему числу электронов в атоме данного элемента.
2. Состояние электронов в атоме определяется набором четырех квантовых чисел n, l, m и m_s. Распределение электронов в атоме по энергетическим состояниям должно удовлетворять принципу минимума потенциальной энергии: с возрастанием числа электронов каждый следующий электрон должен занять разрешенное энергетическое состояние с минимальной энергией.

Заполнение электронами энергетических состояний в атоме должно происходить в соответствии с принципом Паули.

Принципы воспроизводства  и развития живых систем

В 1858 году Ч. Дарвин и А. Р. Уоллес высказали мысль, что существующие виды не были созданы независимо друг от друга и не являются неизменными, но каждый вид, постепенно изменяясь, со временем может дать начало новому виду. То, что виды не постоянны, а  изменяются или эволюционируют, не было новой точкой зрения. Однако новой  была гипотеза, что естественный отбор  – необходимый процесс, управляющий  этими изменениями и контролирующий их. Концепция Дарвина построена  на признании объективно существующих процессов в качестве факторов и  причин развития живого. Он объяснил объективно существующую целесообразность в строении и функционировании организмов, их взаимную приспособленность друг к  другу. В основе дарвиновской триады лежат изменчивость, наследственность и естественный отбор.

Изменчивость

Изменчивость – это  любые проявления неопределенности, стохастичности (случайности). Они составляют естественное содержание всех процессов  микромира, но имеют место и на макроуровне. Изменчивость лежит в  основе функционирования всех механизмов нашего мира на любом уровне его  организации. Мир так устроен, что  случайность и неопределенность – его объективные характеристики. Изменчивость же создает то поле возможностей, из которых возникает многообразие организационных форм. Но она также служит и причиной разрушения. Такова диалектика самоорганизации (синергетики). Одни и те же факторы изменчивости стимулируют как созидание, так и разрушение.

Наследственность

Следующим свойством живых  систем после изменчивости является наследственность – свойство родителей  передавать свои признаки потомкам, следующему поколению. Это свойство не абсолютно: дети никогда не бывают точными копиями  родителей, но кошка приносит на свет всегда только котят, а из семян пшеницы  вырастает только пшеница. В процессе размножения от поколения к поколению  передаются не признаки, а код наследственной информации, определяющий лишь возможность  развития будущих признаков в  определённом диапазоне. Наследуется  не признак, а норма реакции развивающейся  особи на действие внешней среды.

Естественный отбор

Естественный отбор –  единственный направленный эволюционный фактор, необходимый процесс, который  управляет изменениями и контролирует их. В основе дарвиновской теории лежит  факт весьма интенсивного размножения  организмов. Если бы для размножения не было преград, то увеличение численности любого вида живых существ шло в геометрической прогрессии. Даже медленно размножающиеся организмы очень быстро заняли бы поверхность земного шара. Но этому размножению противостоят многочисленные препятствия, приводящие к огромной смертности, в особенности среди личинок и молоди. Во многих случаях смертность определяется врагами и паразитами, размножающимися параллельно увеличению численности тех организмов, которые служат им пищей. Таким образом, не только при наличии перенаселения, но и без него размножению любого вида организмов противостоят всевозможные препятствия. Таковыми являются: неблагоприятные влияния физических факторов, истребление врагами и паразитами, болезни, голод и т.д.

Организм встречает в  этих факторах сопротивление не только увеличению своей численности, но и  своему существованию. Только путем  преодоления этого сопротивления  данный вид может сохранить для  себя и своего потомства место  в фауне и флоре данной территории. Эту форму активности организма  в обеспечении своей жизни  и жизни своего потомства Дарвин назвал борьбой за существование. Здесь  идет речь об активности организмов, направленной на поддержание своей жизни и  на оставление потомства. Она выражается в конкуренции и пассивных  формах соревнования. Главным остается результат. В некоторых случаях  выживаемость вида обеспечивается массовостью  потомков (рыба луна выметывает более 300 млн. икринок, из которых выживает несколько особей). В других случаях  проявляется забота о потомстве, что приводит к большей выживаемости. Три основные формы борьбы за существование:

·         межвидовая;

·         внутривидовая;

·         борьба с неблагоприятными условиями среды.

Примеры межвидовой борьбы многочисленны. С экологической  точки зрения, она представлена хищниками, паразитами и конкуренцией. И волки, и лисы охотятся за зайцами. Между  волками и зайцами, а также  между лисами и зайцами идет напряженная  борьба за существование. Отсутствие добычи обрекает хищников на голод и гибель. В то же время между хищниками – волками и лисами – тоже существует конкуренция за пищу. Это не означает, что они непосредственно вступают в борьбу друг с другом, но успех одного означает неуспех другого.

Внутривидовая борьба означает конкуренцию между особями одного вида, у которых потребность в  пище, территории и других условиях существования одинаковая. Дарвин считал внутривидовую борьбу самой напряженной. Выживают лишь наиболее приспособленные к данным условиям особи. Они образуют новую популяцию, что в целом способствует выживанию вида. В борьбе за существование выживают и оставляют потомство индивиды, обладающие таким комплексом признаков и свойств, которые позволяют наиболее успешно конкурировать с другими.

Различают три главные  формы отбора:

·  движущий;

·  стабилизирующий;

·  деструктивный.

При движущем, или центробежном, отборе большую вероятность оставить потомство имеют особи, изменившиеся по каким-нибудь признакам по сравнению  со средней для данного вида нормой. Отбирается один тип отклонения от нормы. Так появляются на свет более  устойчивые к антибиотикам бактерии, более быстрые зайцы, засухо- и  морозоустойчивые растения. Это путь возникновения новых видов, лучше  приспособившихся к условиям внешней  среды, чем виды-родители.

Стабилизирующий, или центростремительный, естественный отбор сохраняет в  популяции среднее значение признаков (норму) и не пропускает в следующее  поколение наиболее отклонившихся  от этой нормы особей. Это путь сохранения видов неизменными.

При деструктивном (деструкция – нарушение нормальной структуры  чего-либо), или разрывающем, отборе отбирается не один, а несколько  признаков отклонения от нормы (два  или больше). Это путь дробления  предкового вида на дочерние группировки, каждая из которых может стать  новым видом. При этом единый прежде вид распадается на группировки (расы, формы), отличающиеся морфологически, по времени размножения или же по предпочитаемой пище. Человек применяет  деструктивный отбор, выводя мясные и молочные породы рогатого скота, разные породы собак, сорта культурных растений и т.п.

Выделяют еще семейный, или групповой, отбор, когда преимущество в размножении получают не отдельные  особи, а вся группа в целом. Так  возникают приспособительные черты  группового поведения муравейника, пчелиной семьи, табуна копытных или  стаи обезьян.

Отбор бывает не только естественным, но и искусственным. Искусственный  отбор – это способ, с помощью  которого наряду с гибридизацией  человек создает высокопродуктивные породы животных, сорта культурных растений. Темпы эволюции, управляемой человеком, гораздо быстрее, чем в природе. Это объясняется тем, что искусственный отбор гораздо эффективнее естественного: человек сохраняет только те организмы, которые ему нужны, а в природе большинство полезных мутаций лишь несколько увеличивает вероятность выживания и размножения.

Термин "искусственный  отбор" не отождествляется с естественным. Высшие формы искусственного отбора явно отличны от естественного. Человек  выбирает подходящие ему особи для  размножения. Очень часто в природном  отношении это уроды, например, болонка, которая в естественных условиях обречена на гибель.

Механизмы эволюции

Механизмы эволюции базируются на адаптациях (приспособление организмов к окружающей среде) и катастрофических явлениях.

Главная особенность катастрофических механизмов –неопределенность будущего, которая является следствием того, что будущее состояние системы  при переходе ее характеристик через  пороговое состояние определяется, прежде всего, случайностью, а она  присутствует везде. Система как  бы забывает свое прошлое. В этой точке  происходит разветвление путей эволюции, и предсказать, по какой ветви  пойдет развитие дальше, нельзя. Обратного  хода эволюции уже нет (разбитая чашка, даже склеенная, есть разбитая чашка). Пороговые механизмы свойственны  не только неживой природе, но и процессам, протекающим в мире живой природы  и обществе.

Принцип А. Пуанкаре. Закон  дивергенции

Реальные процессы развития дают целую гамму различных механизмов. Законы физики, химии и другие принципы отбора устанавливают определенные границы изменения состояния  системы, определяют так называемые каналы, внутри которых и будут  протекать эволюционные процессы. Однако множество случайных факторов стараются  вывести системы за эти границы. Поток внутри канала следует механизму  адаптационного типа, границы которого определены законами развития.

Изложенная интерпретация  характера эволюции делает наглядным  один из общих законов самоорганизации  материи – закон дивергенции, суть которого в следующем: процесс  развития характеризуется непрерывным  усложнением и ростом разнообразия организационных форм материи.

Дивергенция в переводе с  позднелатинского означает расхождение. Здесь имеется в виду расхождение  признаков и свойств у первоначально  близких групп организмов в процессе эволюции. Это результат обитания в разных условиях и неодинаково  направленного естественного отбора. Закон дивергенции характерен для  всех трех форм развития материального  мира: он действует в мире неживой  природы, эволюции живых существ  и обществе. С ростом сложности  системы возрастает вероятность  увеличения числа возможных путей  дальнейшего развития, т.е. дивергенции. С увеличением сложности системы количество состояний, в которых могут происходить катастрофы, быстро возрастает, как и вероятность увеличения числа возможных путей дальнейшего развития. Это означает, что процесс самоорганизации ведет к непрерывному увеличению числа организационных форм, так как вероятность появления двух развивающихся систем в одном и том же канале эволюции практически равна нулю.

Синтетическая теория эволюции

В ходе развития биологических  наук классическое эволюционное учение Дарвина было значительно дополнено  и уточнено. Ключевые положения этого  учения получили обоснование с молекулярно-генетической точки зрения. В результате возникла современная синтетическая теория эволюции (принято использовать сокращение СТЭ).

Современная молекулярная биология установила, что изменчивость проявляется  на генетическом, молекулярном уровне в виде так называемых мутаций  и происходит непредсказуемо под  воздействием внутренних и внешних  случайных факторов. Мутационный  процесс обусловливает разнообразие особей в популяции. Будучи по своей  природе принципиально случайным, он не может задавать направление  эволюции. Фактором, определяющим направленность эволюции, служит естественный отбор. Без естественного отбора случайные  мутации постепенно приводили бы к размытию совокупности внутренних (генотип) и внешних (фенотип) признаков  вида. Эволюция есть единый направленный процесс исторического изменения живых организмов. Но в СТЭ различают два ее уровня: микроэволюцию (на популяционно-видовом уровне) и макро-эволюцию (на надвидовом уровне).

Современное толкование "микроэволюции" дал Н. В. Тимофеев-Ресовский: микроэволюция  – это эволюционные процессы, происходящие за относительно короткие промежутки времени на ограниченных территориях, протекающие в популяциях и завершающиеся  видообразованием.

В макроэволюции проявляются  самые общие закономерности и  направления исторического развития как всей совокупности живого, так  и отдельных надвидовых групп. В  СТЭ признано, что элементарной единицей эволюции является популяция, а не вид (как считалось в классическом эволюционном учение). Изменения, происходящие в рамках микроэволюции, доступны непосредственному  наблюдению. Несколько сложнее дело обстоит с наблюдениями макроэволюционных  изменений. Ранее ход макроэволюции  изучался только путем его реконструирования, воссоздания. Но благодаря успехам  молекулярной генетики появилась возможность  непосредственного изучения результатов  макроэволюции при использовании "молекулярных документов" эволюции: объектом непосредственного исследования стали макромолекулы, изъятые как  из ныне живущих, так и из ископаемых форм.

Эволюционная концепция  в биологии успешно прошла испытание  временем, воплотилась в современную  теорию эволюции и является фундаментом  всех биологических наук.

Основные свойства развития

На основе рассмотренных  выше положений можно выделить некоторые  выводы о свойствах развития в  целом, так как живые существа являются наиболее сложным природным  образованием и в их свойствах  отражаются и общие свойства, и  всеобщие черты развития и движения материальных систем. Эти основные свойства:

1.      Развитие – это всегда сторона проявления движения. Дарвин называл свою теорию "теорией развития путем изменения", подчеркивая универсальный характер развития. Развитие как переход из одной стадии в другую, от одного качества – к другому слагается из стадии разрушения и стадии возникновения, созидания. Импульс к развитию содержится внутри самой системы.

2.      Развитие проявляется в одновременном возникновении новой формы устойчивости и соответствующей ей изменчивости. Одно предполагает другое. Изменчивость представляет собой результат взаимодействия внутренних свойств объекта (организма) и свойств окружающей среды. С чем большей энергией сохраняется данное состояние объекта, с тем большей энергией и быстротой происходят его изменения, которые по мере своего оформления приобретают устойчивость, но уже иного характера.

3.      Развитие отличается ритмичностью, т.е. имеет свою структуру, связанную с природой объекта. Наличие внутренней логики, последовательности стадий процесса определяет путь развития не только прогрессивных, но и регрессивных изменений системы.

4.      Развитие связывается с ненаправленной изменчивостью, т.е. именно она служит основой для развития направленной тенденции как необходимости. Развитие есть переход случайных явлений, свойств в необходимые.

5.      Развитию сложноорганизованной системы способствует сочетание нескольких факторов: времени, изоляции, постоянства окружающей среды, числа компонентов, уровня дифференциации системы.

Дарвин подчеркивал, что  сам естественный отбор только сохраняет  полезные свойства в данных условиях среды. Важными компонентами являются:

а) продолжительность времени, за которое осуществляется естественный отбор, так как она увеличивает  шансы благоприятных изменений;

б) изоляция организмов друг от друга;

в) численность подвергающихся изменению особей.

6.      Чем разнообразнее качества взаимосвязанных объектов, тем богаче спектр слагаемых изменений, тем более содержательным и результативным является объединяющий их процесс развития. Но диапазон этих связей имеет предел, за которым утрачивается специфика данного конкретного вида развития.