Казанский федеральный университет институт физики кафедра вычислительной физики и моделирования физических процессовВ. М. Бердникова
 Скачать 1.21 Mb.
|
|
Первый закон или первое термодинамики Это закон сохранения и превращения энергии, распространенный на тепловые явления. Если система является изолированной, то работа внешних сил равна нулю (А=0) и система не обменивается теплотой с окружающими телами (Q=0). Внутренняя энергия изолированной системы остается неизменной (сохраняется). Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе: ∆ U = Q +А вн А вн - работа внешних сил Q-количество теплоты ∆ U-изменение внутренней энергии. Из этого закона следует невозможность создания вечного двигателя первого рода - устройство, способное бесконечно совершать работу без затрат топлива или других энергетических ресурсов. Второй закон или второе начало термодинамики Это закон о возрастании энтропии. Второй закон термодинамики носит статистический, то есть, вероятностный характер, так как он записывается только для системы из большого числа молекул. Вся теплота никогда не может перейти в работу, часть ее обязательно теряется и передается холодильнику, потому что нельзя полностью исчерпать энергию теплового движения молекул. Именно поэтому нельзя создать вечный двигатель второго рода, то есть, нельзя создать такую тепловую машину, которая превращала бы всю теплоту в работу. Обязательно коэффициент полезного действия ( КПД) <100%. Энтропия – это количественная мера той теплоты, которая не переходит в работу, она находится как приведённая теплота. T Q S S S 1 2 46 Второй закон термодинамики формулируется так: Энтропия замкнутой термодинамической системы возрастает («стрела времени») и достигает максимума в точке теплового равновесия. ΔS ≥ 0. Если процесс обратимый, то ΔS=0,если необратимый, то ΔS>0. Существуют эквивалентные формулировки второго начала термодинамики: Постулат Клаузиуса : «Невозможен процесс, единственным результатом которого являлась бы передача тепла от более холодного тела к более горячему» (такой процесс называется процессом Клаузиуса). Постулат Томсона (Кельвина) : «Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара» (такой процесс называется процессом Томсона). Энтропия (S) в реальном процессе – затраты на холодильник, лучеиспускание, трение. При обратимом изолированном цикле нет изменения энтропии, она постоянна. В необратимых процессах энтропия возрастает до тех пор, пока система не придет в равновесие, и при этом энтропия будет максимальна. Работа прекращается в состоянии равновесия, A=0. Отсюда Клаузиус вывел возможность тепловой смерти вселенной, так как идёт процесс накопления (повышения) энтропии, и все процессы остановятся, но его ошибка была в том, что он исходил из того, что вселенная – замкнутая система. Энтропия определяет возможность, направление и предел самопроизвольных процессов в замкнутых системах. Энтропия – это количественная мера хаоса в системе. S=0 – только для идеального кристалла при Т=0. Энтропия идеального кристалла при Т=0 равна нулю. Если в кристалле есть хотя бы один дефект, то S>0. S газа >S жидк >S тв.тела -чем более упорядоченная внутренняя структура, тем меньше энтропия. Поэтому энтропия газа всегда больше энтропии твёрдого тела. Концепции эволюции реальных систем Классическая термодинамика занималась только консервативными (изолированными) системами. В таких системах при самопроизвольных процессах энтропия увеличивается до тех пор, пока не достигнет максимального значения в состоянии равновесия. Неравновесная термодинамика, сформированная в середине XX века учеными: Пригожин и Хакен. Аппарат классической термодинамики – линейные уравнения, дающие всего одно решение. Аппарат неравновесной термодинамики – это нелинейные уравнения, которые дают несколько альтернативных решений, потому что неравновесная термодинамика описывает реальные процессы в природе, живых организмах, социальном обществе. Открытые системы стремятся к большей организованности, так как энтропия у 47 них не увеличивается. Чем больше информации поступает в систему, тем система более организована, и тем меньше её энтропия. Энтропия Информация 1 Информация – это мера организованности системы. Теорию самоорганизации (синергетика) разработали на основе неравновесной термодинамики Пригожин и Хакен. Самоорганизация – это коллективное взаимодействие компонентов в открытой системе, которое в дальнейшем может привести к возникновению нового порядка в системе. Самоорганизация наблюдается в открытых реальных системах с большим коллективом частиц (эволюция вселенной, деление клеток, функционирование мозга, образование речи и языков, формирование общественного мнения, естественный отбор). Система является самоорганизующейся, если: 1. Это большой коллектив частиц. 2. Система является открытой, диссипативной. 3. Она находится далеко от точки равновесия, следовательно, энтропия системы не является максимальной. Термодинамическое равновесие - состояние системы, при котором остаются неизменными по времени макроскопические величины этой системы (температура, давление, объём, энтропия) в условиях изолированности от окружающей среды. Синергетика – наука, изучающая самоорганизующиеся системы. Объект изучения – открытые реальные системы. Она изучает механизм образования, развития и разрушения самоорганизующихся систем. Этот механизм связан с коллективными явлениями, которые способствуют развитию системы и упорядочиванию. Такой порядок самоорганизации наблюдается у всех открытых самоорганизующихся систем. Открытость системы способствует появлению и накоплению флуктуаций в системе, которые нарастают и способствуют появлению хаоса в системе. Флуктуации ведут к возрастанию энтропии. Таким образом новый порядок всегда восстанавливается через хаос. Флуктуации расшатывают систему, она становится неустойчивой, и любое незначительное воздействие толкнет ее к саморазрушению, а дальше – к выбору пути. Система приходит к так называемой точки бифуркации (выбора), где существует несколько альтернатив дальнейшего развития. Бифуркация – выбор системой дальнейшего пути развития из нескольких альтернативных решений. Такой выбор может пойти и в сторону хаоса и в 48 сторону организации. После выбора нового порядка система приходит в устойчивое состояние, которое называется аттрактор. Классическая равновесная термодинамика даёт обратимость во времени, даёт единственный путь развития замкнутой системы: система приходит в равновесие. Неравновесная термодинамика даёт несколько нелинейных уравнений, которые приводят к нескольким решениям. В неравновесной термодинамике случайность и вероятность становятся объективными свойствами системы. Синергетика даёт новый образ развития мира: мир открытый, он развивается по нелинейным законам, поэтому в таких системах могут быть самые неожиданные, непредсказуемые повороты системы, связанные с дальнейшим выбором ее развития. Вселенная является самоорганизующейся системой и развивается по законам синергетики: 1. Она – сложная система, состоящая из большого коллектива частиц. 2. Все время происходит эволюция системы, то есть, в ней образуются и распадаются крупномасштабные структуры. Это говорит о том, что вселенная находится далеко от равновесия. Самоорганизация проявляется во всех областях: в физике, в химии, в живой природе. Простейшими примерами самоорганизации являются: излучение лазера, ячейки Бенара, реакции Белоусова-Жаботинского. Вопросы для самоконтроля: 1. Что такое обратимые и необратимые процессы? 2. Сформулируйте первый закон термодинамики. Что такое вечный двигатель первого рода? 3. Сформулируйте второй закон термодинамики. Раскройте понятие вечного двигателя второго рода. 4. Раскройте понятие энропии как меры порядка и беспорядка и её связь с информацией. 5. Что такое синергетика? В чём заключается процесс самоорганизации системы и каковы условия её возникновения? Лекция №6 Космогония Аннотация. Данная тема раскрывает основные этапы современной теории эволюции звёзд и даёт описание существующих гипотез рождения и эволюции солнечной системы. Ключевые слова: светимость, спектральный класс, эргодическая гипотеза, звёздная величина, протозвезда, карлик, чёрная дыра, красный сверхгигант, туманность, химический состав звёзд, строение земли, гипотеза Канта-Лапласа, гипотеза Шмидта. Методические рекомендации по изучению темы: Следует внимательно ознакомиться с материалом лекции, после чего необходимо выполнить 49 закрепление материала, отвечая на предлагаемые вопросы для самопроверки. Для каждой темы приведён список литературы, который поможет вам при необходимости более детально изучить данную тему. Глоссарий по теме лекции №6: Белый карлик - проэволюционировавшая звёзда с массой, не превышающей предел Чандрасекара ( 1,44 солнечных массы ), лишённые собственных источников термоядерной энергии. Имеют спектральный класс DA. Красный гигант- это яркая гигантская звезда, имеющая небольшую или среднюю массу (0.5-10 солнечных) и находящаяся на позднем этапе эволюции. Такие звезды имеют чрезвычайно протяженную атмосферу, что делает их радиус огромным (до сотен солнечных радиусов), а температуру поверхности – низкой, не более 5000 Кельвинов. Форма такой звезды очерчена нечетко из-за разряженной атмосферы. В большинстве таких звезд все еще продолжается синтез гелия из водорода, но их ядро состоит из неактивного гелия. Однако, в некоторых таких звездах из водорода образуется углерод. Красные гиганты принадлежат к спектральным классам К и М (оранжевые и красные), а также S. К ним относится и большинство углеродных звезд. Протозвезда - звезда на завершающем этапе своего формирования, вплоть до момента загорания термоядерных реакций в ядре, после которого сжатие протозвезды прекращается и она становится звездой главной последовательности. Протозвёзды обычно обладают пылевыми оболочками, благодаря которым они являются мощными источниками инфракрасного излучения. Протозвёзды небольших масс часто наблюдаются как вспыхивающие звёзды. Планетарная туманность - астрономический объект , состоящий из ионизированной газовой оболочки и центральной звезды, белого карлика Планетарные туманности образуются при сбросе внешних слоёв (оболочек) красных гигантов и сверхгигантов с массой 2,5—8 солнечных на завершающей стадии их эволюции. Планетарная туманность — быстропротекающее (по астрономическим меркам) явление, длящееся всего несколько десятков тысяч лет, при продолжительности жизни звезды-предка в несколько миллиардов лет. В настоящее время в нашей галактике известно около 1500 планетарных туманностей. Рекомендуемые источники литературы: 1. http://nsportal.ru/ap/ap/nauchno-tekhnicheskoe-tvorchestvo/evolyuciya-zvezd/ 2. Нефедьев Ю.А. Естественнонаучная картина мира. Часть 2.: [электронный ресурс] // В.С. Боровских, А.И. Галеев, В.М. Бердникова, С.А. Дёмин, О.Ю. Панищев,. Казань, 2012. URL: http://www.kpfu.ru/docs/F570530067/%CA%D1%C5_2.pdf; 3. http://www.sistemasolnca.ru; 4. http://www.cosmos-journal.ru; 50 5. http://www.astrogalaxy.ru; 6. http://astronet.ru; 7. http://poiskknig.ru; 8. http://elementy.ru; 9. http://dic.academic.ru; 10.http://ru.wikipedia.org. Звёзды. Основные звездные характеристики. Возраст (от сотен тысяч до 13-15 миллиардов лет). Светимость – полное количество энергии, излучаемой звездой за 1 секунду. Lc=4∙10 26 Вт. Абсолютная звездная светимость – это светимость звезды при отнесении ее на расстояние 10 парсек. Видимая звездная величина – величина, характеризующая звезду с точки зрения визуального наблюдения. Яркие звёзды имеют отрицательные видимые величины, слабые положительные. Тем больше отрицательное значение звёздной величины, чем ярче звезда, чем больше у неё положительное значение звёздной величины, тем более слабым объектом на небе она нам видится. Для сравнения: наше Солнце: -26,72, а визуально самая яркая звезда на всём небе Сириус: -1,47. Температура поверхности влияет на цвет звезды, то есть, связана со спектром. Классы звезд по температуре (цвету): O B A F G K M Вариант мнемонического запоминания: Один Бритый Англичанин Финики Жевал Как Морковку Самые горячие звезды – белые и голубые, самые холодные – красные. Зависимость между абсолютной светимостью звезды и ее температурой (классом) отражает диаграмма Герцшпрунга-Рессела. 51 Главная звездная последовательность показывает связь температуры и светимости. Звезды рождаются из газопылевой туманности, состоящей из гелия и водорода. При закручивании туманности образуются участки, которые разделяются на фрагменты. Звезда не рождается одна. Чаще всего в одном месте туманности рождаются сразу несколько протозвезд. При отделение каждого фрагмента освобождается энергия в виде инфракрасного излучения. В 1957 году было обнаружено скопление источников инфракрасного излучения в туманности Ориона, то есть, там идет образование звёзд. Дальнейшее сжатие протозвезд под действием гравитационных сил повышает температуру звезд, и освободившаяся энергия излучается в виде красного света, образуются красные гиганты. При дальнейшем сжатии звезд температура повышается настолько, то звезда «зажигается», то есть, начинаются реакции термоядерного синтеза. Q n He H H 1 0 4 2 3 1 2 1 Звезда переходит на стадию главной последовательности, там находятся все нормальные звезды (то есть, звезды, в которых идут термоядерные реакции). Когда кончаются запасы водорода, звезда начинает стареть, и процесс старения связан с массой звезды. Если масса звезды меньше или равна 1,5 массы Солнца, то образуется гелиевое ядро, на поверхности которого в тонком слое еще горит оставшийся водород. Само ядро начинает сжиматься под действием гравитационных сил, температура повышается, и образуется плотное горячее ядро из гелия. В этих условиях из гелия не образуется более тяжелых элементов. Внешняя оболочка постепенно расширяется и горит красным светом, звезда становится красным гигантом. В то время как внешние слои звезды расширяются ядро звезды сжимается в белый карлик. Далее звезда сбрасывает внешнюю оболочку из которой образуется так называемая планетарная туманность. Белый карлик (ядро) горит еще несколько миллионов лет, после чего превращается в чёрного карлика. Такова судьба Солнца и звёзд подобных Солнцу. Судьба более массивных звезд, масса которых превышает 1,5 массы Солнца, значительно более «трагична». Такие звезды живут несколько сотен миллионов лет. Если масса звезды составляет примерно 2,5-3 массы Солнца, то после прекращения термоядерных реакций в ядре звезды гравитационные силы начинают очень быстро сжимать ядро звезды. В ядре крайне быстро, скачком, образуется железо, а давление повышается настолько, что электроны «вдавливаются» в ядра атомов, в результате чего образуется нейтронная железная звезда. Происходит взрыв, разлетается остаточное вещество, такой процесс называется взрывом сверхновой. В 1054 году астрономы зарегистрировали взрыв сверхновой. После вспышки сверхновой остается очень слабо светящееся сверхплотное быстро вращающееся ядро - пульсар и планетарная туманность вокруг. Пульсар - это нейтронная звезда, излучающая пучки быстрых электронов и жёсткого излучения с четкой периодичностью. В середине XX века сигналы, идущие от пульсаров, приняли за сигналы 52 внеземных цивилизаций, этот феномен тогда получил название GLM (Green Little Men - маленькие зеленые человечки). Постепенно вращение замедляется, и звезда прекращает своё существование в качестве светящегося тела. Если масса звезды больше, чем три массы Солнца, то она находится на главной последовательности меньше всего – несколько сотен миллионов лет. Затем она превращается в красный гигант, после чего из-за гравитационных сил происходит гравитационный коллапс. Наружная оболочка с взрывом отходит от звезды – взрыв сверхновой. Ядро затем исчезает из поля зрения наблюдателей, то есть, превращается в чёрную дыру. Около которой согласно общей теории относительности (ОТО) идёт искривление пространства. R гравитационный =2GM/c 2 - критический радиус Шварцшильда, показывает до какого размера нужно сжать сферическое тело, чтобы оно превратилось в чёрную дыру. R гр.Солнца =2,8-3 км R гр.Земли =9-10 мм. Химический состав звёзд Из газопылевой туманности, сброшенной звездами после их горения, вновь образуются протозвезды, а затем звёзды нового поколения. В этих туманностях тяжелых элементов значительно больше, чем в предыдущей звезде, и в этом заключается эволюция вселенной – в накоплении тяжёлых элементов. Основная масса – водородно-гелиевая плазма. На 10000 атомов водорода (H) приходится: 1. 1000 атомов гелия (He); 2. 5 атомов кислорода (O); 3. 2 атома азота (N); 4. 1 атом углерода (C); 5. 0,3 атома железа (Fe). Металличность звезды Fe\H показывает возраст звезды. Чем меньше это соотношение, тем старее звезда. Методы изучения звёздного неба: 1. Визуально (до звездной величины +6) 2. Телескопы (самые современные – до +33) Происхождение и эволюция солнечной системы. По современным представлениям Солнце (как звезда) образовалось примерно 5 миллиардов лет назад из газопылевой туманности звезды первого поколения. Гипотеза Канта-Лапласа. Кант в 1755 году предположил, что система образуется из холодной туманности, причем, Солнце раньше планет. Лаплас считал, что из горячей (1500°) туманности, сначала планеты, потом Солнце. Хойл (1958), Альфен и Аррениус (1960-ее гг.) выработали единый механизм планетообразования во вселенной (по крайней мере, в метагалактике). 1. Звезда должна обладать сильным магнитным полем. 2. Пространство в окрестностях звезды должно быть заполнено сильно ионизированной плазмой. 53 Механизм образования планетной системы включает не только гравитацию, но и электромагнитные силы и плазменные процессы. Молодое Солнце, поскольку оно образовалось из очень горячей туманности доходило почти до орбиты Меркурия и имело огромную корону: протуберанцы доходили до орбиты Плутона, и токи там был в сотни миллионов Ампер. Гипотеза Шмидта (1922) – Солнце, возможно, захватило часть другой туманности или что-либо еще. На это указывает дифференциация по химическому составу в трех «дисках» вокруг Солнца: более тяжёлые элементы ближе к Солнцу (планеты земной группы), далее легкие – Сатурн и Юпитер, еще дальше – совсем другие, не похожие ни на что планеты. Первыми образовались планеты земной группы, а через несколько сотен миллионов лет – Сатурн и Юпитер. Круговая скорость Солнца – 2 км/с. Суммарная масса всех планет составляет 1/700 массы Солнца. Происхождение Земли. К Солнцу магнитным полем были притянуты огромные массы железа и азота. Сутки были заметно короче, но с увеличением массы вращение замедляется. В самой Земле из-за вращения шло распределение химических элементов: более тяжёлые – в мантии и ядре, более легкие – в земной коре, а самые лёгкие образовали гидросферу и атмосферу. По исследованиям грунта радиолокационными методами возраст земли составляет 4,55 миллиардов лет (4550±50 млн. лет). Земля стала разогреваться за счет вулканической деятельности, первопричиной которой является естественная радиоактивность. Процесс радиоактивного разогрева. За год Земля теряет 7,94∙10 20 Дж энергии, но это намного меньше тепла, выделяющегося при радиоактивном распаде в недрах Земли. Первичная атмосфера Земли образовалась из-за вулканической деятельности и была восстановительной: CO 2 , NH, HCN, CH 4 , H 2 O. Резкое качественное изменение атмосферы Земли произошло около 2 миллиардов лет назад – появился кислород, так как произошло зарождение жизни: микроорганизмы стали, фотосинтезируя, производить его. За последние 200 миллионов лет состав атмосферы практически не изменился. Сухой воздух: N 2 ≈78%, O 2 ≈21%. Инертные газы ≈ 0,98% (Ar≈0,9%), CO 2 ≈0,032%. По одной из теорий, Земля на определенной стадии захватила очень много льда, в частности, из хвостов комет и, возможно, Нептун, Плутон и Уран, закручиваясь, выбрасывали огромные глыбы льда. Это так называемая теория космического происхождения воды на Земле. Спектральный анализ химического состава Солнца, планет солнечной системы, метеоритов и астероидов, показал, что все они имеют единое происхождение. Все тела солнечной системы построены в основном из небольшого числа химических элементов. После 28-го элемента таблицы Менделеева распространенность резко падает. Особенно распространены элементы с чётным массовым числом. Из них наиболее устойчивы те, что имеют магические числа, когда N p =N n 54 Строение Земли Радиус ядра составляет 55% толщины. Во внутреннем ядре (твердое) преобладают железо, никель, сера. Во внешнем ядре (полужидкое) железо, никель, селен, в земной коре – SiO, магний, железо. В мантии сосредоточена основная часть массы – около 68%. Кора состоит из осадочных пород: глина, песчаник, сланцы, граниты, базальты, в них – руды. Дельсемм в 1983 году обнаружил близость соотношения атомов элементов в составе живых организмов, в межзвездном газе и газовом веществе комет (О, С, N, Н). Земля обладает гравитационным, магнитным и электрическим полями. Гравитация описывается законом всемирного тяготения Ньютона. Магнитное поле складывается из двух составляющих: одна главная, очень медленно меняющаяся, существующая за счет существования магнитного ядра, 99%, другая, переменная составляющая, 1%, связана с магнитным излучением Солнца. Магнитные полюса Земли смещены по отношению к географическим. Переполюсовка происходит за период от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов лет. Поверхность земного шара заряжена отрицательно. Земное электрическое поле всё время меняется. В среднем E=130 В/м (Напряжённость). Все точки лежащего человека находятся под одним потенциалом. С высотой напряженность падает. Полная разность потенциалов между поверхностью Земли и ионосферой составляет 400 тысяч вольт. Атмосфера заряжена положительно. Грозовые разряды не дают электричеству Земли уйти в космос. 1 55 |