Ответы на КСЕ экзамен. Билет Роль науки в различные периоды развития общества. Смена парадигм
 Скачать 0.69 Mb.
|
|
Можно построить и более подробную картину, выделив такие уровни организации, как ядро атома, ядро клетки, макромолекула, кристалл, человек, ноосфера и т. д. Билет № 7 Принципы организации современного естезствознания В наше время стало модой говорить о законах природы и общества. Применительно к природе это, строго говоря, неверно. Природа не знает законов. Это мы придумываем их, пытаясь хотя бы как-то систематизировать происходящее. Термин “закон природы” следует понимать в том смысле, что природные явления повторяемы и, следовательно, предсказуемы. Как бы-то ни было, повторяемость природных явлений дает возможность науке формулировать законы, которые принято называть законами природы. В их исследовании человечество руководствуется некоторыми чрезвычайно общими принципами, облегчающими процесс изучения природных явлений. Один из наиболее общих естественнонаучных принципов – принцип причинности, утверждающий, что одно природное явление порождает другое, являясь его причиной. Существование цепочки причинно-следственных связей позволяет иногда сделать выводы общего характера. Так, опираясь только на непрерывность цепочки причин и следствий, немецкий судовой врач Роберт Майер сумел сформулировать закон сохранения и превращения энергии, являющийся фундаментальным законом современного естествознания. Обратите внимание на то, что вопрос “почему”, строго говоря, неправомерен. Мы не знаем и, по-видимому, никогда не узнаем конечной причины ни одного природного явления. Правильнее было бы спрашивать “как”. Какой закономерностью описывается данное явление? Наука в своем развитии работает над выявлением все более и более глубоких причин природных явлений. Этот процесс дает теологам основание утверждать, что в конечном итоге научный процесс должен привести к определению конечной причины, т. е. Бога, и в этом пункте наука и религия сольются. Другим общим принципом является принцип Кюри. Он назван по имени того самого Пьера Кюри, который вместе со своей женой Марией Склодовской — Кюри открыл химический элемент радий. Кроме этого Пьер Кюри за свою недолгую жизнь сделал еще довольно много научных открытий. По-видимому, важнейшим из них является принцип Кюри. Представьте себе некоторое качество А. Например, электрический заряд или, скажем, рыжий цвет волос, или еще какое-нибудь качество. Вряд ли оно будет равномерно распределено в пространстве. Вероятнее всего в пространстве будет существовать градиент (Градиентом скалярной функции называют вектор, направленный в сторону скорейшего возрастания этой функции. Величина градиента равна производной от этой функции, взятой по направлению ее скорейшего возрастания) этого качества. Принцип Кюри утверждает, что если существует градиент некоторого качества А, то неизбежно возникнет перенос этого качества в сторону его недостачи, причем поток качества А, т. е. его количество, переносимое через единичную площадку в единицу времени, пропорционален величине этого градиента. Представьте себе пространственное распределение товара под названием лавровый лист в нашей стране. Максимум его приходится, конечно же, на субтропические зоны Кавказа, а минимум его, что вполне естественно, приходится на районы Крайнего Севера. Налицо градиент лаврового листа. Согласно принципу Кюри существование такого градиента приведет к возникновению переноса лаврового листа с районов Кавказа на Север. Существует огромное число эмпирических законов из области физической и химической кинетики от закона Ома и до классического уравнения диффузии, являющихся следствиями принципа Кюри. Мне кажется, что экономистам следует очень внимательно отнестись к этому принципу. Ясное его понимание позволит избежать массы ошибок. Чрезвычайно продуктивным в научном отношении является уже упоминавшийся ранее принцип двойственности (дополнительности). Он основан на двойственной природе познания. Вы, наверное, уже обратили внимание на существование парных понятий, совместно определяющих взаимоисключающие стороны целого. Выделение таких частей является существенной частью процесса познания. Описывая что бы то ни было, мы прибегаем к абстракции — выделению сторон изучаемого, важных в данном отношении. Несущественные стороны обычно опускаются из рассмотрения. В дальнейшем, если выбранная абстракция оказывается плодотворной, она замещает исходное представление об изучаемом явлении. При этом отброшенные стороны явления опускаются из рассмотрения, даже если они являются весьма существенными. Принцип двойственности Принцип двойственности предписывает нам при описании чего бы то ни было одновременно рассматривать две взаимоисключающие стороны. В зависимости от обстоятельств более существенной может оказаться одна из них. В других обстоятельствах важнее окажется другая. Если, пытаясь решить какую-нибудь задачу, вы встретились с непреодолимыми трудностями — попробуйте подход, основанный на альтернативных представлениях. Весьма вероятно, что он окажется удачным. Кто из вас скажет, что такое свет? В школе вам объясняли, что это электромагнитная волна. Это представление принято в классической парадигме и в общем неплохо описывает свойство света. Однако, как вы знаете, свет состоит из отдельных частиц — фотонов. Без этого представления невозможно объяснить фотоэффект, эффект Комптона и многое другое. Так что же такое свет — это волна или поток частиц? При изучении свойств света допустима и та и другая абстракция. Согласно принципу двойственности избежать ошибок в описании возможно, проводя и то и другое описание параллельно Принцип суперпозиции Принцип суперпозиции утверждает, что результат воздействия на материальную систему двух факторов может быть представлен в виде суперпозиции (наложения) воздействия каждого из этих факторов, действующих независимо друг от друга. В этом принципе неявно предполагается, что при наложении факторы не возмущают друг друга. Принцип обладает меньшей степенью общности, чем принцип Кюри. Однако во многих случаях оказывается весьма полезным. Принцип симметрии Принцип симметрии основан на изначальных представлениях об однородности и изотропности пространства. Предполагает инвариантность природных процессов к преобразованиям симметрии. Основываясь на принципе симметрии, Эмми Нетер показала, что основополагающие физические законы сохранения энергии и импульса (количества движения) являются следствием однородности и изотропности пространства. Принцип симметрии использует интуитивное представление о полном равноправии правого и левого. Тем более удивительной должна показаться вам “левая” ориентированность живой природы. Вам, по-видимому, известно, что молекулы многих природных соединений закручены наподобие пружины. Такую закрученную структуру имеет, например, сахар или входящий в ваши организмы холестерин. Спиральную структуру имеют многие ферменты растительного и животного происхождения. Если получать такие соединения путем химического синтеза, то в полном соответствии с принципом симметрии получается примерно одинаковое количество молекул, закрученных по правой и по левой спирали. Так вот, все живое на нашей планете состоит из молекул, закрученных по левой спирали. Обратите внимание, что и сердце у вас смещено влево, а не вправо. Почему это так, науке еще предстоит выяснить. Пока же отметим, что принцип симметрии, сколь бы соблазнительно очевидным он ни выглядел, является весьма и весьма ограниченным. Еще более ограниченным, хотя от того и не менее плодотворным является принцип подобия. Согласно этому принципу после известного преобразования уравнения, описывающие подобные системы, оказываются одинаковыми. Возьмем, к примеру, так называемые малые колебания. Оказывается, что после некоторых математических преобразований колебание груза, подвешенного на ниточке, и электрического тока в колебательном контуре могут быть описаны одним и тем же уравнением. Принцип подобия удается применить, увы, не всегда. Однако, если в процессе своей практической деятельности вы сумели обнаружить подобие между какими-то группами явлений, — считайте, что успех вам обеспечен. Принцип относительности Согласно принципу относительности не существует абсолютного движения. А следовательно, не существует и абсолютного пространства, абсолютного времени и т. п. Этот принцип подразумевает, что протекание природных процессов не зависит от того, какую точку зрения занимает наблюдатель, их описывающий. Был выдвинут Альбертом Эйнштейном в качестве одной из основ частной теории относительности. Оспаривался многими учеными. В настоящее время прочно вошел в инертное ядро современной научной парадигмы. Прямым следствием принципа относительности является принцип инвариантности законов природы к преобразованиям системы отсчета, в которой они были сформулированы. Принцип инвариантности утверждает, что вид основных уравнений, описывающих природные явления, не зависит от преобразования координат и времени, входящих в эти уравнения. Билет № 8 Основные понятия современного естествознания Билет № 9 2-ой закон термодинамики. Принцип возрастания энтропии в закрытых системах В настоящее время теплосиловые и тепловые установки получили широкое распространение в различных отраслях народного хозяйства. На промышленных предприятиях они составляют основную важнейшую часть технологического оборудования. Наука, изучающая методы использования энергии топлива, законы процессов изменения состояния вещества, принципы работы различных машин и аппаратов, энергетических и технологических установок, называется теплотехникой. Теоретическими основами теплотехники являются термодинамика и теория теплообмена. Термодинамика опирается на фундаментальные законы (начала), которые являются обобщением наблюдений над процессами, протекающими в природе независимо от конкретных свойств тел. Этим объясняется универсальность закономерностей и соотношений между физическими величинами, получаемых при термодинамических исследованиях. Первый закон термодинамики характеризует и описывает процессы превращения энергии с количественной стороны и дает все необходимое для составления энергетического баланса любой установки или процесса. Второй закон термодинамики, являясь важнейшим законом природы, определяет направление, по которому протекают термодинамические процессы, устанавливает возможные пределы превращения теплоты в работу при круговых процессах, позволяет дать строгое определение таких понятий, как энтропия, температура и т.д. В этой связи второй закон термодинамики существенно дополняет первый. В качестве третьего начала термодинамики принимается принцип недостижимости абсолютного нуля. В теории теплообмена изучаются закономерности переноса теплоты из одной области пространства в другую. Процессы переноса теплоты представляют собой процессы обмена внутренней энергией между элементами рассматриваемой системы в форме теплоты.Общая характеристика и формулировка второго закона термодинамики Естественные процессы всегда направлены в сторону достижения системой равновесного состояния (механического, термического или любого другого). Это явление отражено вторым законом термодинамики, имеющим большое значение и для анализа работы теплоэнергетических машин. В соответствии с этим законом, например, теплота самопроизвольно может переходить только от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой. Для осуществления обратного процесса должна быть затрачена определенная работа. В связи с этим второй закон термодинамики можно сформулировать следующим образом: невозможен процесс, при котором теплота переходила бы самопроизвольно от тел более холодных к телам более теплым (постулат Клаузиуса, 1850 г.). Второй закон термодинамики определяет также условия, при которых теплота может, как угодно долго преобразовываться в работу. В любом разомкнутом термодинамическом процессе при увеличении объема совершается положительная работа: где1– конечная работа, v1и v2– соответственно начальный и конечный удельный объем; но процесс расширения не может продолжаться бесконечно, следовательно, возможность преобразования теплоты в работу ограничена. Непрерывное преобразование теплоты в работу осуществляется только в круговом процессе или цикле. Каждый элементарный процесс, входящий в цикл, осуществляется при подводе или отводе теплотыdQ,сопровождается совершением или затратой работы, увеличением или уменьшением внутренней энергии, но всегда при выполнении условияdQ= dU+ dL и dq= du+ dl,которое показывает, что без подвода теплоты (dq=0)внешняя работа может совершаться только за счет внутренней энергии системы, и, подвод теплоты к термодинамической системе определяется термодинамическим процессом. Интегрирование по замкнутому контуру дает: , Здесь QЦ и LЦ- соответственно теплота, превращенная в цикле в работу, и работа, совершенная рабочим телом, представляющая собой разность |L1| - |L2| положительных и отрицательных работ элементарных процессов цикла. Элементарное количество теплоты можно рассматривать как подводимое(dQ>0)и отводимое(dQ<0)от рабочего тела. Сумма подведенной теплоты в цикле |Q1|, а сумма отведенной теплоты |Q2|. Следовательно, LЦ =QЦ =|Q1| - |Q2|. Подвод количества теплоты Q1 к рабочему телу возможен при наличии внешнего источника с температурой выше температуры рабочего тела. Такой источник теплоты называется горячим. Отвод количества теплоты Q2 от рабочего тела также возможен при наличии внешнего источника теплоты, но с температурой более низкой, чем температура рабочего тела. Такой источник теплоты называется холодным. Таким образом, для совершения цикла необходимо иметь два источника теплоты: один с высокой температурой, другой с низкой. При этом не все затраченное количество теплоты Q1может быть превращено в работу, так как количество теплоты Q2 передается холодному источнику. Условия работы теплового двигателя сводятся к следующим: -необходимость двух источников теплоты (горячего и холодного); -циклическая работа двигателя; -передача части количества теплоты, полученной от горячего источника, холодному без превращения ее в работу. В связи с этим второму закону термодинамики можно дать еще несколько формулировок: -передача теплоты от холодного источника к горячему невозможна без затраты работы; -невозможно построить периодически действующую машину, совершающую работу и соответственно охлаждающую тепловой резервуар; -природа стремится к переходу от менее вероятных состояний к более вероятным. Следует подчеркнуть, что второй закон термодинамики (так же как и первый), сформулирован на основе опыта. В наиболее общем виде второй закон термодинамики может быть сформулирован следующим образом: любой реальный самопроизвольный процесс является необратимым. Все прочие формулировки второго закона являются частными случаями наиболее общей формулировки. В.Томсон (лорд Кельвин) предложил в 1851 г. следующую формулировку: невозможно при помощи неодушевленного материального агента получить от какой-либо массы вещества механическую работу посредством охлаждения ее ниже температуры самого холодного из окружающих предметов. М.Планк предложил формулировку более четкую, чем формулировка Томсона: невозможно построить периодически действующую машину, все действие которой сводилось бы к понятию некоторого груза и охлаждению теплового источника. Под периодически действующей машиной следует понимать двигатель, непрерывно (в циклическом процессе) превращающий теплоту в работу. В самом деле, если бы удалось построить тепловой двигатель, который просто отбирал бы теплоту от некоторого источника и непрерывно (циклично) превращал его в работу, то это противоречило бы положению о том, что работа может производиться системой только тогда, когда в этой системе отсутствует равновесие (в частности, применительно к тепловому двигателю – когда в системе имеется разность температур горячего и холодного источников). Если бы не существовало ограничений, накладываемых вторым законом термодинамики, то это означало бы, что можно построить тепловой двигатель при наличии одного лишь источника теплоты. Такой двигатель мог бы действовать за счет охлаждения, например, воды в океане. Этот процесс мог бы продолжаться до тех пор, пока вся внутренняя энергия океана не была бы превращена в работу. Тепловую машину, которая действовала бы таким образом, В.Ф.Оствальд удачно назвал вечным двигателем второго рода (в отличие от вечного двигателя первого рода, работающего вопреки закону сохранения энергии). В соответствии со сказанным формулировка второго закона термодинамики, данная Планком, может быть видоизменена следующим образом: осуществление вечного двигателя второго рода невозможно. Следует заметить, что существование вечного двигателя второго рода не противоречит первому закону термодинамики; в самом деле, в этом двигателе работа производилась бы не из ничего, а за счет внутренней энергии, заключенной в тепловом источнике, так, что с количественно стороны процесс получения работы из теплоты в данном случае не был бы невыполнимым. Однако существование такого двигателя невозможно с точки зрения качественной стороны процесса перехода теплоты между телами. Понятие энтропии Несоответствие между превращением теплоты в работу и работы в теплоту приводит к односторонней направленности реальных процессов в природе, что и отражает физический смысл второго начала термодинамики в законе о существовании и возрастании в реальных процессах некой функции, названной энтропией, определяющей меру обесценения энергии. Часто второе начало термодинамики преподносится как объединенный принцип существования и возрастания энтропии. Принцип существования энтропии формулируется как математическое выражение энтропии термодинамических систем в условиях обратимого течения процессов: Принцип возрастания энтропии сводится к утверждению, что энтропия изолированных систем неизменно возрастает при всяком изменении их состояния и остается постоянной лишь при обратимом течении процессов: Оба вывода о существовании и возрастании энтропии получаются на основе какого-либо постулата, отражающего необратимость реальных процессов в природе. Наиболее часто в доказательстве объединенного принципа существования и возрастания энтропии используют постулаты Р.Клаузиуса, В.Томпсона-Кельвина, М. Планка. В действительности принципы существования и возрастания энтропии ничего общего не имеют. Физическое содержание: принцип существования энтропии характеризует термодинамические свойства систем, а принцип возрастания энтропии – наиболее вероятное течение реальных процессов. Математическое выражение принципа существования энтропии – равенство, а принципа возрастания – неравенство. Области применения: принцип существования энтропии и вытекающие из него следствия используют для изучения физических свойств веществ, а принцип возрастания энтропии – для суждения о наиболее вероятном течении физических явлений. Философское значение этих принципов также различно. В связи с этим принципы существования и возрастания энтропии рассматриваются раздельно и математические выражения их для любых тел получаются на базе различных постулатов. Вывод о существовании абсолютной температуры T и энтропии s как термодинамических функций состояния любых тел и систем составляет основное содержание второго закона термодинамики и распространяется на любые процессы – обратимые и необратимые. В связи с тем, что непрерывное получение работы из теплоты возможно только при условии передачи части отбираемой от горячего источника теплоты холодному источнику, следует подчеркнуть важную особенность тепловых процессов: механическую работу, электрическую работу, работу магнитных сил и т.д. можно без остатка превратить в теплоту. Что же касается теплоты, то только часть ее может превращена в периодически повторяющемся процессе в механическую и другие виды работ; другая ее часть неизбежно должна быть передана холодному источнику. Этой важнейшей особенностью тепловых процессов определяется то особое положение, которое занимает процесс получения работы из теплоты любых других способов получения работы (например, получения механической работы за счет кинетической энергии тела, получения электроэнергии за счет механической работы, производства работы магнитным полем за счет электроэнергии и т.д.). При каждом из этих способов преобразования часть энергии должна затрачиваться на неизбежные необратимые потери, такие как трение, электросопротивление, магнитная вязкость и др., переходя при этом в теплоту |