Законы сохранение массы энергии

Содержание

1. Законы  сохранения массы и энергии в  макроскопических процессах.       3

2. Планета Земля, строение и химический состав.                                          5

3. Биологические законы и общество. Взаимозависимость  всех                   

биосферных принципов.                                                                                      8 

4. Основные  требования устойчивого развития общества.                              11

5. Задача                                                                                                                13 

Список литературы                                                                                                  14 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.Законы сохранения массы и энергии в макроскопических  процессах. 
 

    Первый  закон термодинамики называется законом сохранения энергии в тепловых процессах. Его вполне можно считать главным законом природы, основой всех природных явлений.

  Развитие  основополагающих закономерностей  природы получило развитие в специальной  теории относительности Эйнштейна, который приходит к заключению: "Если тело отдает энергию Е в виде излучения, то его масса уменьшается на Е/с2... Масса тела есть мера содержащейся в нем энергии". Позднее он формулирует  следующий важный вывод специальной  теории относительности: "масса и  энергия эквивалентны друг другу"; появляется знаменитая формула Эйнштейна, связывающая энергию и массу:  

  где m-масса покоя, Е=mс2 - энергия покоя тела. 
       

  Фундаментальным законом природы является закон  сохранения массы и энергии.

  Суть  закона сохранения энергии формулируется следующим образом. Энергия не возникает из ничего и никуда не исчезает бесследно, а только превращается из одной формы в другую (передаётся от системы к системе).

    Конкретный  пример цепочки превращений энергии  представлен на рис1.

  Энергия – общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи. Под движением имеются в виду любые изменения в материальных системах. Все изменения есть результат взаимодействия систем. В результате взаимодействия системы изменяют свои характеристики. Мерой этих изменений и является энергия. Таким образом, взаимодействие есть процесс, в результате которого одни системы получают, а другие – теряют энергию, а весь мир есть множество систем, обменивающихся энергией.

    Различают кинетическую энергию  (энергию движения) и потенциальную  энергию (энергию положения, или  энергию взаимодействия) частиц. Рассмотрим  сначала каждый из видов энергии  отдельно.

      Кинетической энергией системы называется сумма кинетических энергий материальных точек, из которых эта система состоит. Часто, говоря о преобразовании энергии покоя в кинетическую, называют этот процесс "превращением массы в энергию". 
 

    А₁₂ =К₂ -К₁ =ΔК 

  Для каждой материальной точки системы, а затем все такие соотношения  сложить, то в результате снова получится  та же  формула, но уже не для одной  материальной точки, а для системы  материальных точек. Под А  надо понимать сумму работ всех сил, как внутренних, так и внешних, действующих на материальные точки системы. Таким  образом, работа всех сил, действующих  на систему материальных точек, равна  приращению кинетической энергии этой системы.

  Все виды, встречающиеся в макроскопической механике, принято разделять на консервативные и неконсервативные.

    Консервативными называют такие  силы, работа которых на пути  между двумя точками зависит  не от формы пути, а только  от положения этих точек. Поле  сил(область пространства, в каждой точке которого на перемещенную туда частицу действует сила, закономерно меняющаяся от точки к точке) в этом случае называют потенциальным. К потенциальным полям относятся, например, поля центральных сил. Центральными называются силы, зависящие только от расстояния между взаимодействующими частицами и направленные по прямой, соединяющей эти частицы. Центральными являются гравитационные, кулоновские упругие силы.

    Работа неконсервативных сил,  в отличие от консервативных, зависит от формы пути. Неконсервативные  силы могут совершать как положительную,  так и отрицательную работу. К  неконсервативным силам, совершающим  отрицательную работу, относятся,  например, силы трения и сопротивления  при движении тела в жидкости или газа. Это обусловлено тем, что направление действия этих сил и направление перемещения тела противоположны. 
 
 
 
 
 

  2.Планета Земля, строение и химический состав.

      Наша планета Земля по  форме представляет собой сплющенный со стороны полюсов и растянутый в экваториальной зоне эллипсоид, получивший вследствие своей уникальной геометрической формы название геоид. Средний экваториальный радиус земли равен приблизительно 6378 км, а ее  полярный радиус - около 6357 км. Площадь поверхности Земли – 510,2 млн км², из них 149,1 млн км² (29,2%) занимает суша и 361,1 млн км² (70,8%) занимают океаны. Площадь горных областей составляет 53,7 млн км² и ледников – 16,4 млн км². Масса земли равна 5,98∙10²⁴  кг, а ее средняя плотность -5,5 г/ см³. Масса Земли за счет аккумуляции вещества из космоса в настоящее время прирастает на 10⁹ кг /год. Предполагается, что в период образования Земли, длящийся приблизительно 60 млн лет, прирост ее массы составляет 10¹⁷  кг/год, возраст Земли сейчас оценивается в 4,6 -4,7 млрд лет, период вращения Земли вокруг собственной оси составляет 23 часа 56 минут 4,1 секунду, а период обращения по орбите вокруг Солнца равен 356,24 суток.

      Строение Земли. Земля состоит  из: земной коры, средней толщины около 50 км; мантии, простирающаяся до глубины приблизительно 2900 км; и ядра, радиусом около 3500 км.

     Земную кору покрывают гидросфера — жидкая оболочка , которая не является сплошной и атмосфера — газовая оболочка планеты. Земная  кора, масса которой составляет около 1% от массы Земли, подразделяется на материковую (толщина 35 – 45 км на равнинной части планеты и 70 – 80 км в области гор ) и океаническую ( толщина 8 – 10 км ). Плотность земной коры увеличивается с глубиной в среднем от 2,7 до 3,0 г/см³ , увеличивается и температура по 3 градуса на каждые 100 м. По химическому составу наибольшая доля приходится на кислород (47,2%), кремний (27,6%),алюминий (8,8%) и железо (5,5%), которые входят в окислы, гидроокислы, силикаты и сульфиды.

   Структура материковой земной коры существенно  отличается от структуры океанической. Более сложной считается материковая  кора, которая состоит из трех слоев: верхнего – осадочного, среднего – гранитного и нижнего _ базальтового. Осадочный слой, содержащий основные запасы угля, нефти и газа, по толщине неодинаков в различных районах суши. Так, в Гренландии и Скандинавии его толщина практически равна нулю , а в дельте реки Ганг превышает 10 км. Гранитный слой, толщина которого составляет примерно 15 – 20 км, содержит большую часть рудных запасов земной коры. Наконец, базальтовый слой, в котором находятся основные запасы тяжелых металлов, имеет толщину около 20 км.

   Океаническая  кора имеет толщину 8 – 10 км и состоит  из рыхлого осадочного слоя, лежащего на тонком базальтовом основании. Гранитный  слой в океанической коре отсутствует. Переход от материковой коры к океанической происходит постепенно с увеличением глубины океанического дна. На глубине океана свыше 3,5 км земная кора уже имеет океанический тип.

   Ниже  базальтового слоя начинается мантия Земли, состоящая из верхней мантии толщиной 800-850 км и нижней мантии, толщина  которой около 2000 км. Плотность вещества к границе мантии с ядром достигает  значения 5,5 г/см³, давление – 1,3 млн  атмосфер, температура 2000 - 2500ºС. Мантия состоит преимущественно из тяжелых минералов , богатых кремнием и железом. Под действием высокого давления мантия Земли , несмотря на высокую температуру, находится, вероятно, в кристаллическом состоянии, за исключением части верхней мантии, где влияние температуры сказывается сильнее, чем действие давления. Эту область, находящуюся либо в расплавленном, либо в аморфном состоянии, называется астеносферой.

   Внешний слой твердой Земли , включающий земную кору и часть верхней мантии, носит  название  литосферы. Литосфера лежит  на астеносфере и расколота примерно на 10 больших плит, по границам которых  расположено подавляющее число  очагов землетрясений. При появлении  трещин в литосфере магма астеносферы изливается под действием высокого давления на поверхность Земли, сопровождая мощные извержения вулканов.

   Нижние  слои мантии граничат с ядром Земли, которое состоит из двух условно  выделяемых частей: внешнее ядро (расположено  в слое на глубине от 2900 до 5100 км) и внутреннее ядро, или так называемое субъядро (находится ниже 5100 км). Ядро по массе составляет 34% от массы Земли. Внешнее ядро, состоит из соединения железа с серой (48%) и окиси железа (52%) и находится в жидком состоянии  с плотностью, изменяющейся с глубиной от 9,5 до 12,3 г/см³. Субъядро состоит из железоникелевого сплава и находится  в твердом состоянии с плотностью 13-14 г/см³ и температурой около 5000ºС в его центре. Несмотря на постоянный отвод тепла к внешним слоям Земли, температура ядра остается высокой. Это обусловлено действием огромных гравитационных сил, приводящих к постепенному сжатию вещества и, как следствие, постоянному выделению энергии (примерно в 4∙10²⁰   Ккал/год). Благодаря большому давлению и высокой температуре внутри ядра Земли многие электроны атомов и молекул становятся свободными и, образуя гигантские вихри, формируют магнитное поле планеты.

   На  ранних  этапах эволюции Земли гидросфера на ее поверхности отсутствовала. Вода  выделилась из недр Земли в результате ее тектонической активности. Выделение воды и формирование гидросферы продолжается и в настоящее время. Объем воды на Земле 4 млрд лет назад составлял около 20 млн км³. Сейчас общий объем вод гидросферы составляет 1,4 млрд км³, объем воды в земной коре- около 1,3 млрд км³ и объем воды в мантии – около 20 млрд км³.

   Водные  ресурсы в гидросфере распределяются следующим образом: около 94% - океаны и моря; около 4% - подземные воды; около 2% - ледники и постоянные снега; около 0,4% - поверхностные воды(реки, озера ).

   Атмосфера в процессе эволюции Земли претерпела существенные изменения. Например, около 3,8 млрд лет назад атмосфера Земли, как предполагают ученые, состояла главным образом из углекислого газа, азота и водорода. Кислород начал появляться в атмосфере около 2,5 – 2,0 млрд лет назад Его содержание тогда не превышало десятых долей процента. Сейчас атмосфера Земли состоит из азота (78%), кислорода (21%), аргона (0,9%), углекислого газа (0,03%) и из других в очень малых газов в очень малых долях процента. Ее масса составляет 5,15∙10¹⁸  кг. Химический состав и масса атмосферы в настоящее время во многом определяются жизнедеятельностью растений, животных и человека. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3.Биологические законы и общество. Взаимозависимость всех 

биосферных  принципов.

   Эволюционное  учение Дарвина базируется на четырех  основных принципах: изменчивости, наследственности, борьбы за существование и естественного  отбора. Рассмотрим каждый из них.

   Изменчивость  биологических систем характеризует  их способность приспосабливаться  к меняющимся условиям окружающей среды  и факторам внутривидовой конкуренции. При изменении условий окружающей среды живые организмы в  целях  выживания вынуждены пытаться изменить себя. В случае удачных изменений  свойств живых организмов биологическая  система вновь придет к равновесию во взаимодействии с окружающей средой. Такие биологические системы выживут. В противном случае они обречены на гибель. Наибольшая вероятность выжить имеется у биологических систем, обладающих высокой изменчивостью.

      Для того чтобы последующие  поколения живых организмов также  находились в равновесии с  окружающей средой, они должны  наследовать положительные признаки  родителей, т.е. обладать свойством  наследственности: это означает, что  эти признаки должны быть закреплены  на молекулярно-генетическом уровне. Изменчивость, происходящая на генетическом  уровне, носит название наследственной  или генотипической изменчивости. Именно наследственная изменчивость  биологических систем на протяжении  смены многих поколений обеспечивает  эволюцию видов.  Биологическим системам любого вида свойственная борьба за существование, неизбежность которой вытекает из противоречия между способностью организмов к неограниченному размножению и ограниченностью жизненных ресурсов. Дарвин выделил три основные формы борьбы за существование:1) внутривидовую – наиболее напряженную, потому что особи одного вида живут в одинаковых условиях и имеют одинаковые потребности при ограниченности пищевых ресурсов;2)межвидовую – борьбу  с особями других видов, например с хищниками, болезнетворными микроорганизмов;3)борьбу с неживой природой – наводнениями, засухой.        Результатом наследственной изменчивости и борьбы за существование является естественный отбор – выживание наиболее приспособленных особей. Естественный отбор сохраняет живые организмы с полезными в данных условиях среды наследственными изменениями и устраняет организмы, не имеющие этих изменений. Вследствие этого особи, обладающие полезными наследственными изменениями, оставляют более многочисленное потомство, и их численность возрастает.     Таким образом, в результате взаимосвязанного действия наследственной изменчивости, борьбы за существование и естественного отбора виды из поколения в поколение изменяется в направлении всё большей приспособленности к условиям среды обитания. Эволюционная теория полагает, что естественный отбор вызывает дивергенцию (расхождение) признаков внутри вида и может привести к образованию нового вида. Это, по мнению эволюционистов, является причиной многообразия видов живых организмов, существующих на земле.

    Биосфера Земли представляет собой совокупность связанных между собой обменом веществом, энергией и информацией биогеоценозов, располагающихся в основном в очень тонком (около 40 км) приповерхностном слое нашей планеты. Современная наука считает, что примерно 1 млрд лет назад произошло разделение живых существ на царства растений и животных. Различия между ними можно разделить на три группы: 1) по структуре клеток и их способности к росту; 2) по способу питания; 3) по способности к движению. У животных клеток есть центриоли, но нет хлорофилла и клеточной стенки, мешающей изменению формы. Большинство растений необходимые для жизни вещества получают в результате поглощения минеральных соединений. Животные питаются готовыми органическими соединениями, которые создают растения в процессе фотосинтеза. Классификация растений и животных построена в соответствии с их отличительными признаками. Структурной основной единицей был признан вид, а более высокие уровни составили последовательно род, отряд, класс. 
  На Земле существует 500 тыс. видов растений и 1,5 млн видов животных, в том числе позвоночных- 70 тыс., птиц 16 тыс., млекопитающих- 12 540 видов. Подобная систематизация различных форм жизни создала предпосылки для изучения живого вещества как целого, что впервые осуществил выдающийся русский ученый В. И. Вернадский в своем учении о биосфере.

   Основные принципы учения Вернадского о биосфере:

1. Принцип целостности  утверждает, что биосфера, жизнь  существуют как единое целое.  Жизнь является необходимой и  закономерной частью стройного космического механизма. 
2. Принцип гармонии биосферы заключается в ее организованности, стройности, неразрывной связи в ней живых и неживых компонентов. 
3. Принцип значительности роли живого в эволюции Земли утверждает, что на земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей и более могущественной по своим конечным последствиям, чем организмы, взятые в целом. Облик Земли как небесного тела фактически сформирован жизнью. 
4. Основная роль биосферы состоит в трансформации солнечной энергии в действенную энергию Земли. Космическая энергия вызывает развитие жизни, которое достигается размножением.

 5. Правило инерции заключается в распространении жизни по земной поверхности из-за проявления ее геохимической энергии. Мелкие организмы размножаются гораздо быстрее, чем крупные.

 6. Закон бережливости в использовании живым веществом простых химических тел утверждает, что раз, вошедший, в организм элемент проходит длинный ряд состояний и при этом организм вводит в себя только необходимое количество элементов. 
7. Пределы жизни определяются физико-химическими свойствами соединений, строящих организм, их неразрушимостью в определенных условиях среды. Максимальное поле жизни определяется крайними пределами выживания организмов. Верхний предел жизни обусловливается лучистой энергией, присутствие которой исключает жизнь и от которой предохраняет озоновый щит. Нижний предел связан с достижением высокой температуры. Например, интервал температуры жизни в 430° (от -250 °С до +180 °С) является предельным тепловым полем. 
8. Жизнь постепенно, медленно приспосабливаясь, захватила биосферу, и захват этот не закончился. Поле устойчивости жизни есть результат приспособленности в ходе времени. 
Биосфера, по В. И. Вернадскому, - это организованная, определенная оболочка земной коры, сопряженная с жизнью. Пределы биосферы обусловлены, прежде всего, полем существования жизни. Биосфера — не просто одна из существующих оболочек Земли, подобно литосфере, гидросфере или атмосфере. Основное отличие биосферы состоит в том, что она — организованная оболочка. Быть живым — значит быть организованным, отмечал В. И. Вернадский, и в этом состоит суть понятия биосферы как организованной оболочки Земли.

4.Основные  требования устойчивого развития  общества. 

  В целом понятие устойчивого развития включает в себя 27 принципов, среди  которых основное место занимают следующие требования (или положения):

• в центре внимания находятся люди, которые должны иметь право на здоровую и плодотворную жизнь в гармонии с природой;
• обеспечение взаимосвязей экономического развития с социальными целями, требованиями рационального использования природных ресурсов и охраны окружающей среды;
• охрана окружающей среды должна стать неотъемлемой компонентой процесса развития и не может рассматриваться в отрыве от него;
• увязка интересов настоящего и будущих поколений людей (т.е. право на развитие должно реализовываться таким образом, чтобы в равной степени обеспечить удовлетворение потребностей в развитии как нынешнего, гак и будущих поколений);
• необходимость интеграции экономических и экологических целей на всех уровнях принятия решений, но развитию территории региона;
• приоритет мелкого экологически ориентированного производства перед крупным узкоспециализированным (диверсификация);
• расширение объемов компенсационного финансирования для смягчения экологических проблем и проблем истощения природных ресурсов (эту задачу также можно решать путем создания траст-фонда региона);
• уменьшение разрыва в уровне жизни народов мира, искоренение бедности и нищеты.

   Основные  принципы устойчивого развития формулируются следующим образом:

1.Принцип биосфероцентризма. Концепция устойчивого развития предполагает переход во взаимоотношении « человек - природа» от принципа антропоцентризма к принципу биосфероцентризма.            2.Принцип коэволюции  человека  и биосферы. Обеспечении основных потребностей человека должно происходить при сохранении адаптационных возможностей естественных экологических систем.                                           3. Принцип оптимизации потребностей. Установление нового мирового экологического порядка, в соответствии с которым природно-ресурсное потребление должно быть основано на принципах равноправия и справедливости.                                                                                              4.Каждый человек имеет право на здоровую и деятельную жизнь в гармонии с природой в экологически чистой и благоприятной для него окружающей среде.                                                                                                             5.Социально-экономическое развитие должно быть направлено на улучшение жизни всех людей, сохранение природы и природных ресурсов, усиление ответственности за деятельность, наносящую ущерб окружающей среде.           6.Право на развитие должно осуществляться так, чтобы обеспечить равенство возможностей развития и сохранение окружающей среды как нынешнего, так и будущих поколений..                                                                                        7.Рациональное природопользование должно основываться на неистощительном использовании возобновимых и экономном использовании невозобновимых ресурсов, на своевременной утилизации отходов и их безопасном захоронении.                                                                              8.Хозяйственная деятельность человека должна становиться социально и экологически безопасной и сопровождаться уменьшением различия в уровне жизни людей, масштабов бедности и нищеты, усилением взаимосвязи экономики и экологии, формированием единой (сбалансированной) экологизированной системы экономического развития.                 9.Устойчивое развитие должно учитывать все аспекты безопасности страны.       10.Постепенный отказ от ценностей общества потребления, рационализация масштабов и структуры личного потребления населения.               11.Сохранение для всех народов и этносов, проживающих в Российской Федерации, их культур, традиций, среды обитания должно быть одним из приоритетов национальной политики государства на всех этапах перехода к устойчивому развитию.                                                                                  12.Переход к устойчивому развитию должен осуществляться на основе международного сотрудничества и глобального партнерства и подкрепляться принятием соответствующих международных соглашений и иных правовых актов.                                                                                                                         13. Свободный доступ к экологической информации.                                                14. Сохранение крупнейших экологически устойчивых зон Земли должно стать предметом ответственности всех государств мира. В связи с этим, Россия должна настаивать на введении глобальной экологической ренты.        15. Ведущая роль в реализации устойчивого развития государства как гаранта обеспечения экономического развития, социальной справедливости и охраны окружающей природной среды.                                                               16. Хозяйственная деятельность должна вестись преимущественно на уже освоенных территориях, следует постепенно отказываться от хозяйственного использования новых территорий. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

5.Задача.

 У человека потребность в курении табака связана с рецессивным геном, рас- 

расположенным в Х-хромосоме. Некурящий мужчина  женился на некурящей женщине, отец которой много курил. Какова вероятность рождения ребенка, склонного к курению, и укажите его пол? Какие токсичные вещества проникают в организм курящего человека и какие болезни могут возникнуть при курении?  

Условие задачи:                                                                         

             Х^АХ^а  девушка некурящая, отец курил       Р₁ Х^АХ^а  * Х^АУ

             Х^АУ   мужчина некурящий                           G   Х^А   Х^а     Х^А У

  Вероятность  рождения ребенка,             F₁ Х^АХ^А      Х^АУ   Х^АХ^а   Х^а У

склонного к  курению 25%, это – сын                  А           А        А        а 
 
 
 

      Токсичные вещества проникают в организм курящего человека такие   как: -аммиак и  табачный деготь (смолы);

-никотин;

-угарный газ;

-акромин;

-бензпирен. 

Болезни могут  возникнуть при курении такие  как:

-рак легких;

-туберкулез  легких;

-поражают органы  пищеварения;

-влияют на сердечно-сосудистую систему;

-поражает нервную  систему;

-железы внутренней  секреции;

-снижает половую  функцию;

-ухудшается  зрение, слух;

- аутоиммунная  болезнь;

-злокачественные  опухоли;

-хронический  бронхит;

-цирроз печени. 
 
 
 

Список  литературы 

1.Гусейханов М. К., Раджабов О. Р. Концепции современного естествознания: Учебник. - 6-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и К°» 

2.Горелов А.А. Концепции современного естествознания. М.: Астрель, 2004. 

3.Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: учеб. пособие для студ. вузов. — 6-е изд., испр. и доп. — М.: Издательский центр «Академия», 2006

4.Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания: Учеб. для вузов. — 6-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. шк., 2003.

5.Лавриненко В.Н., Ратникова В.П. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов . — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2006.

6.Романов В.П.Концепции современного естествознания: Учеб. пособие для студентов вузов.-3-е изд., и доп. - М.: Вузовский учебник,2008.