Естествознание. Галиуллина Марина Маратовна 22 Естествознание 1 Проверил Копейск 2020 Закон сохранения энергии фундаментальный закон
 Скачать 32.31 Kb.
|
Специальность: 38.02.03 Операционная деятельность в логистике КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
Проверил ________________ Копейск 2020 1. Зако́н сохране́ния эне́ргии — фундаментальный закон природы, установленный эмпирически и заключающийся в том, что для изолированной физической системы может быть введена скалярная физическая величина, являющаяся функцией параметров системы и называемая энергией, которая сохраняется с течением времени. Поскольку закон сохранения энергии относится не к конкретным величинам и явлениям, а отражает общую, применимую везде и всегда закономерность, его можно именовать не законом, а принципом сохранения энергии. С фундаментальной точки зрения, согласно теореме Нётер, закон сохранения энергии является следствием однородности времени, то есть независимости законов физики от момента времени, в который рассматривается система. В этом смысле закон сохранения энергии является универсальным, то есть присущим системам самой разной физической природы. При этом выполнение этого закона сохранения в каждой конкретно взятой системе обосновывается подчинением этой системы своим специфическим законам динамики, вообще говоря, различающимся для разных систем. В различных разделах физики по историческим причинам закон сохранения энергии формулировался независимо, в связи с чем были введены различные виды энергии. Возможен переход энергии из одного вида в другой, но полная энергия системы, равная сумме отдельных видов энергий, сохраняется. Однако, из-за условности деления энергии на различные виды, такое деление не всегда может быть произведено однозначно. Для каждого вида энергии закон сохранения может иметь свою, отличающуюся от универсальной, формулировку. Например, в классической механике был сформулирован закон сохранения механической энергии, в термодинамике — первое начало термодинамики, а в электродинамике — теорема Пойнтинга. С математической точки зрения, закон сохранения энергии эквивалентен утверждению, что система дифференциальных уравнений, описывающая динамику данной физической системы, обладает первым интегралом движения, связанным с симметричностью уравнений относительно сдвига во времени. 2. Последовательность чередования аминокислотных остатков в полипептидной цепи называется первичной структурой белка (или первым уровнем структурной организации белковой молекулы). Закручивание полипептидной цепи белка в спиралеобразную структуру (α-спираль) происходит вследствие взаимодействия посредством образования водородных связей между кислородом карбонильной группы i-го аминокислотного остатка и водородом амидогруппы i+4 аминокислотного остатка: Наряду со спирализованными участками в образовании вторичной структуры белка принимают также участие β-структуры параллельная и антипараллельная, и β-изгиб. При упаковке вторичной структуры белка в пространстве образуется третичная структура белка, состоящая из всех компонентов вторичной структуры. При образовании третичной структуры белка происходят гидрофобные, ионные (электростатические), водородные ковалентные взаимодействия между группировками в боковых радикалах аминокислотных остатков полипептидной цепи. С появлением третичной структуры у белка появляются и новые свойства – биологические. В частности, проявление каталитических свойств связано именно с наличием у белка третичной структуры. И наоборот, нагревание белков, приводящее к разрушению третичной структуры (иначе известно как денатурация) одновременно приводит к утрате биологических свойств. Четвертичная структура белка подразумевает такое объединение белков третичной структуры, при котором появляются новые биологические свойства, не характерные для белка в третичной структуре. Каждый из белков – участников третичной структуры – при образовании четвертичной структуры называют субъединицей или протомером. В образовании четвертичной структуры белка принимают участие те же связи, что и при образовании третичной структуры, за исключением ковалентных. Объединение белковых молекул третичной структуры без появления новых биологических свойств называют агрегированным состоянием. Биологический смысл появления четвертичной структуры у белков – экономия «генетического материала», поскольку каждая из субъединиц кодируется только одним геномом ДНК. К тому же, в случае появления ошибки при трансляции у одной из субъединиц, отпадает необходимость ресинтеза остальных субъединиц. Четвертичная структура в таком случае распадается на субъединицы, дефектная субъединица удаляется и вновь образуется четвертичная структура с участием нормальной субъединицы. В конце концов, появление ошибки менее вероятно при синтезе (трансляции) сравнительно небольшой полипептидной цепи. Практически все белки-ферменты имеют четвертичную структуру и состоят, как правило, из четного числа протомеров (двух, четырех, шести, восьми). 3. Нуклеиновая кислота (от лат. nucleus — ядро) — высокомолекулярное органическое соединение, биополимер (полинуклеотид), образованный остатками нуклеотидов. Нуклеиновые кислоты ДНК и РНК присутствуют в клетках всех живых организмов и выполняют важнейшие функции по хранению, передаче и реализации наследственной информации. Способы выделения. Описаны многочисленные методики выделения нуклеиновых кислот из природных источников. Основными требованиями, предъявляемыми к методу выделения, являются эффективное отделение нуклеиновых кислот от белков, а также минимальная степень фрагментации полученных препаратов. Классический метод выделения ДНК был описан в 1952 году и используется в настоящее время без значительных изменений. Клеточные стенки исследуемого биологического материала разрушаются одним из стандартных методов, а затем обрабатываются анионным детергентом. При этом белки выпадают в осадок, а нуклеиновые кислоты остаются в водном растворе. ДНК может быть осаждена в виде геля осторожным добавлением этанола к её солевому раствору. Концентрацию полученной нуклеиновой кислоты, а также наличие примесей (белки, фенол) обычно определяют спектрофотометрически по поглощению на А260 нм. Нуклеиновые кислоты легко деградируют под действием особого класса ферментов — нуклеаз. В связи с этим при их выделении важно обработать лабораторное оборудование и материалы соответствующими ингибиторами. Так, например, при выделении РНК широко используется такой ингибитор рибонуклеаз как DEPC. Физические свойства. Нуклеиновые кислоты хорошо растворимы в воде, практически нерастворимы в органических растворителях. Очень чувствительны к действию температуры и критическим значениям уровня pH. Молекулы ДНК с высокой молекулярной массой, выделенные из природных источников, способны фрагментироваться под действием механических сил, например, при перемешивании раствора. Нуклеиновые кислоты фрагментируются ферментами — нуклеазами. Строение. Полимерные формы нуклеиновых кислот называют полинуклеотидами. Существуют 4 уровня структурной организации нуклеиновых кислот: первичная, вторичная, третичная и четвертичная. Первичная структура представляет собой цепочки из нуклеотидов, соединяющихся через остаток фосфорной кислоты (фосфодиэфирная связь). Вторичная структура — это две цепи нуклеиновых кислот соединённые водородными связями. Стоит отметить, что цепи соединяются по типу «голова-хвост» (3' к 5'), по принципу комплементарности (азотистые основания находятся внутри этой структуры). Третичная структура, или же спираль, образуется за счет радикалов азотистых оснований (образуются водородные дополнительные связи, которые и сворачивают эту структуру, тем самым обуславливая её прочность). И наконец, 4 структура — это комплексы гистонов и нитей хроматина. Поскольку в нуклеотидах существует только два типа гетероциклических молекул, рибоза и дезоксирибоза, то и имеется лишь два вида нуклеиновых кислот — дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК). Мономерные формы также встречаются в клетках и играют важную роль в процессах передачи сигналов или запасании энергии. Наиболее известный мономер РНК — АТФ, аденозинтрифосфорная кислота, важнейший аккумулятор энергии в клетке. ДНК и РНК. ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). Сахар — дезоксирибоза, азотистые основания: пуриновые — гуанин (G), аденин (A), пиримидиновые — тимин (T) и цитозин (C). ДНК часто состоит из двух полинуклеотидных цепей, направленных антипараллельно. РНК (рибонуклеиновая кислота). Сахар — рибоза, азотистые основания: пуриновые — гуанин (G), аденин (A), пиримидиновые урацил (U) и цитозин (C). Структура полинуклеотидной цепочки аналогична таковой в ДНК. Из-за особенностей рибозы молекулы РНК часто имеют различные вторичные и третичные структуры, образуя комплементарные участки между разными цепями. Типы РНК. Матричная рибонуклеиновая кислота́ (мРНК, синоним — информацио́нная РНК, иРНК) — РНК, содержащая информацию о первичной структуре (аминокислотной последовательности) белков[8]. мРНК синтезируется на основе ДНК в ходе транскрипции, после чего, в свою очередь, используется в ходе трансляции как матрица для синтеза белков. Тем самым мРНК играет важную роль в «проявлении» (экспрессии) генов. Рибосо́мные рибонуклеи́новые кисло́ты (рРНК) — несколько молекул РНК, составляющих основу рибосомы. Основной функцией рРНК является осуществление процесса трансляции — считывания информации с мРНК при помощи адапторных молекул тРНК и катализ образования пептидных связей между присоединёнными к тРНК аминокислотами. Транспортная РНК, тРНК — рибонуклеиновая кислота, функцией которой является транспортировка аминокислот к месту синтеза белка. Имеет типичную длину от 73 до 93 нуклеотидов и размеры около 5 нм. тРНК также принимают непосредственное участие в наращивании полипептидной цепи, присоединяясь — будучи в комплексе с аминокислотой — к кодону мРНК и обеспечивая необходимую для образования новой пептидной связи конформацию комплекса. Для каждой аминокислоты существует своя тРНК. тРНК является одноцепочечной РНК, однако в функциональной форме имеет конформацию «клеверного листа». Аминокислота ковалентно присоединяется к 3'-концу молекулы с помощью специфичного для каждого типа тРНК фермента аминоацил-тРНК-синтетазы. На участке C находится антикодон, соответствующий аминокислоте. Некодирующие РНК (non-coding RNA, ncRNA) — это молекулы РНК, которые не транслируются в белки. Ранее использовавшийся синоним, малые РНК (smRNA, small RNA), в настоящее время не используется, так как некоторые некодирующие РНК могут быть очень большими, например, Xist. Последовательность ДНК, на которой транскрибируются некодирующие РНК, часто называют РНК-геном. Некодирующие РНК включают в себя молекулы РНК, которые выполняют очень важные функции в клетке — транспортные РНК (тРНК), рибосомные РНК (рРНК), такие малые РНК, как малые ядрышковые РНК (snoRNA), микроРНК, siRNA, piRNA, а также длинные некодирующие РНК — Xist, Evf, Air, CTN, PINK, TUG1. Последние транскриптомные технологии (секвенирование РНК) и методы ДНК-микрочипов предполагают наличие более 30000 длинных некодирующих РНК (англ. long ncRNA). Примерно такое же количество малых регуляторных РНК содержится в геноме мыши. Бартон Д., Оллис У. Д. Общая органическая химия. Франк-Каменецкий М. Д. Самая главная молекула. Аппель Б., Бенеке И., Бенсон Я., под ред. С. Мюллер. Нуклеиновые кислоты от А до Я. 4. Энергией называется скалярная физическая величина, которая является единой мерой разных форм взаимодействия и движения материи, а также мерой перехода движения материи из одних форм в другие. Понятие энергии определяется как мера разных форм движения материи и как мера перехода материи из одной формы в другую. Исходя из этого, виды энергии различаются по форме движения материи. Человек сталкивается с различными видами энергии. Можно сказать, что технологический процесс является преобразование одних видов энергии в другие. В процессе прохождения технологической цепочки, энергия неоднократно преобразуется из одного вида в другой. Это приводит к уменьшению полезного количества энергии и рассеиванию ее в окружающей среде. Виды энергии. Электрическая Химическая Механическая Световая Тепловая Ядерная Термоядерная. Существуют еще виды энергии, названия которых исходят не из физического смысла, а несут описательный характер. К ним относятся ветровая энергия, геотермальная энергия и другие. В этих случаях физическая форма характера энергии заменяется названием ее источника. Поэтому правильно будет называть механической энергией ветра, тепловой энергией геотермальных источников и т.д. Электрическая энергия является наиболее универсальным видом энергии. Источником электрической энергии является энергия воды на гидроэлектростанциях, преобразование тепловой энергии, полученной в процессе сгорания топлива на тепловых электростанциях. Также электрическая энергия вырабатывается в результате ядерных реакций на атомных электростанциях, когда ядерная энергия преобразуется в механическую, а механическая, в свою очередь, преобразуется в электрическую. На химических предприятиях электроэнергия применяется для совершения электрохимических процессов – электролиз расплавов и растворов, электротермических процессов – нагревание, плавление и т. д., а также электромагнитных процессов. В промышленности используются процессы, связанные с применением электростатических явлений, например, электрокрекинг углеводородов, осаждение туманов и разных видов пыли. Также в промышленности используются для контроля и автоматизации химических производств электроионные явления. Широкое применение в химической промышленности получило превращение электрической энергии в механическую, что необходимо в основном для осуществления физических операций, таких как измельчение, смешение, дробление, работа компрессоров, насосов, вентиляторов и т.д. Электроэнергия широко используется в повседневной бытовой деятельности. Применение тепловой энергии в промышленности необходимо для осуществления различного рода физических операций, которые не сопровождаются химическими реакциями. К таким операциям относятся процессы дистилляции, нагрева, сушки, плавления, выпарки и т.д. Большое количество тепловой энергии требуется для нагревания реагентов при проведении эндометрических процессов. В процессе различных превращений атомных ядер или в процессе синтеза водорода в ядра гелия выделяется внутриядерная энергия. Внутриядерная энергия используется для производства электрической энергии на атомных электростанциях. Широкое распространение получили радиационно-химические процессы, в которых радиоактивное излучение применяется для осуществления различных химических реакций. В результате экзотермических химических реакций выделяется химическая энергия, которая является важнейшим источником тепла. Это тепло используется для обогрева реагентов при проведении реакций. Также химическая энергия нашла широкое применение в аккумуляторах и гальванических элементах. В этом случае химическая энергия преобразуется в электрическую. Световая энергия необходима при осуществлении различного рода фотохимических реакций, таких как галоидирование органических процессов, синтез хлористого водорода из элементов и других процессов. В процессе фотоэлектрических явлений происходит преобразование световой энергии в электрическую. Это способность нашла применение в автоматическом контроле и управлении технологическими процессами. Источники энергии На промышленных предприятиях используются различные виды источников энергии. Они характеризуются по виду энергетических ресурсов, запасам, энергетической ценности. По характеру энергетические ресурсы бывают возобновляемыми и невозобновляемыми. Возобновляемыми источниками энергии являются энергия ветра, гидроэнергия, солнечная энергия, растительное топливо. К невозобновляемым источникам энергии относятся природный газ, нефть, сланцы, уголь, которые после использования не могут быть воспроизведены снова. Если рассматривать такую характеристику источников энергии, как энергетическая ценность, то она определяется количеством энергии, которое возможно получить при их применении. Например, для различных видов топлива энергетическая ценность характеризуется количеством квт×ч, которое получается при полном использовании теплоты сгорания килограмма либо кубического метра топлива. Для примера, энергетическая ценность каменного угля составляет 8 кВт×ч/кг, энергетическая ценность природного газа равна 10,6 кВт×ч/м3. Использование энергетических ресурсов на практике определяется в первую очередь количеством запасов и географическим положением. Также влияет доступность использования, возможность транспортировки энергии на расстояния, возможность преобразования энергии и множеством других факторов. На современном этапе возникла такая проблема, как поиск альтернативных источников энергии. Использование перечисленных традиционных источников энергии наносит вред окружающей среде. Кроме того, существует реальная угроза исчерпания топливных ресурсов для получения энергии. 5. Периодический закон — фундаментальный закон природы, открытый Д. И. Менделеевым в 1869 году при сопоставлении свойств известных в то время химических элементов и величин их атомных масс. Атом (от др. - греч. ἄτομος «неделимый, неразрезаемый») — частица вещества микроскопических размеров и массы, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Атомы состоят из ядра и электронов (точнее, электронного «облака»). Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Количество нейтронов в ядре может быть разным: от нуля до нескольких десятков. Если число электронов совпадает с числом протонов в ядре, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называется ионом. В некоторых случаях под атомами понимают только электронейтральные системы, в которых заряд ядра равен суммарному заряду электронов, тем самым противопоставляя их электрически заряженным ионам. Ядро, несущее почти всю (более чем 99,9 %) массу атома, состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов, связанных между собой при помощи сильного взаимодействия. Атомы классифицируются по количеству протонов и нейтронов в ядре: число протонов Z соответствует порядковому номеру атома в периодической системе Менделеева и определяет его принадлежность к некоторому химическому элементу, а число нейтронов N — определённому изотопу этого элемента. Единственный стабильный атом, не содержащий нейтронов в ядре — лёгкий водород (протий). Число Z также определяет суммарный положительный электрический заряд (Z×e) атомного ядра и число электронов в нейтральном атоме, задающее его размер[5]. Атомы различного вида в разных количествах, связанные межатомными связями, образуют молекулы. Строение атома. Хотя слово атом в первоначальном значении обозначало частицу, которая не делится на меньшие части, согласно научным представлениям он состоит из более мелких частиц, называемых субатомными частицами. Атом состоит из электронов, протонов, все атомы, кроме водорода-1, содержат также нейтроны. Электрон является самой лёгкой из составляющих атом частиц с массой 9,11⋅10−31 кг, отрицательным зарядом и размером, слишком малым для измерения современными методами.[8] Эксперименты по сверхточному определению магнитного момента электрона (Нобелевская премия 1989 года) показывают, что размеры электрона не превышают 10−18 м[9][10]. Протоны обладают положительным зарядом и в 1836 раз тяжелее электрона (1,6726⋅10−27 кг). Нейтроны не обладают электрическим зарядом и в 1839 раз тяжелее электрона (1,6749⋅10−27 кг).[11] При этом масса ядра меньше суммы масс составляющих его протонов и нейтронов из-за явления дефекта массы. Нейтроны и протоны имеют сравнимый размер, около 2,5⋅10−15 м, хотя размеры этих частиц определены плохо.[12] В стандартной модели элементарных частиц как протоны, так и нейтроны состоят из элементарных частиц, называемых кварками. Наряду с лептонами, кварки являются одной из основных составляющих материи. И первые и вторые являются фермионами. Существует шесть типов кварков, каждый из которых имеет дробный электрический заряд, равный +2⁄3 или (−1⁄3) элементарного. Протоны состоят из двух u-кварков и одного d-кварка, а нейтрон — из одного u-кварка и двух d-кварков. Это различие объясняет разницу в массах и зарядах протона и нейтрона. Кварки связаны между собой сильными ядерными взаимодействиями, которые передаются глюонами.[13][14] https://ru.wikipedia.org/wiki https://ido.tsu.ru/schools/chem/data/res/org/uchpos/text/4_3_5.html https://spravochnick.ru/koncepciya_sovremennogo_estestvoznaniya/suschnost_energii_i_ee_vidy/ |