Контрольная работа по "Концепции современного естествознания"

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ  РФ

 

 

  

 

 

 

Кафедра естественных дисциплин 

 

 

  

 

 

  

 

 

 

Контрольная работа по курсу

«Концепции  современного естествознания»

 

 

 

 

Выполнила:

студентка группы

                                                                                 Проверил:

                                                                                 профессор 

                                                                                 Дата проверки _______

                                                                                 Оценка _____________

                                                                                 Подпись ____________

 

 

 

 

 

 

 

Пермь 2011

 

Содержание  работы

 

Энтропия как мера рассеивания энергии и мера необратимости процессов…………………………………………………………………………..3

Автотрофное питание. Фотосинтез и хлоропласты…………………………….6

Скорости и дальнейшие пути развития человеческой цивилизации…………10

Источники информации…………………………………………………………13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Энтропия как  мера рассеивания энергии и мера необратимости процессов

 

   Рассеивание энергии является причиной необратимости подавляющего большинства природных процессов. В качестве конкретного примера можно привести ситуацию, когда молекула, получившая по стечению обстоятельств большую порцию кинетической энергии, через определённое число столкновений передаст эту энергию другим молекулам. Вполне понятно, что этот процесс обмена энергией в обратном порядке произойти не может, так как невозможно, чтобы все молекулы, получившие энергию, вернули её первой молекуле и оказались бы на исходных местах с исходными скоростями.

   По этой причине в любой большой материальной системе (системе с большим количеством взаимодействующих элементов) энергия имеет тенденцию к равномерному распределению между частями (элементами) системы. Это проявляется, например, в том, что все тела после неравномерного нагрева через некоторое время становятся равномерно тёплыми. А при  контакте тел тепловая энергия всегда передаётся от более тёплого тела к холодному (тепло необратимо рассеивается). Состояние системы с равномерным распределением энергии называется термодинамическим равновесием и является более вероятным, чем состояние с неравномерным распределением энергии. Термодинамическое равновесие также принято считать неупорядоченным, хаотичным состоянием системы.

   Энтропи́я в естественных науках — мера беспорядка системы, состоящей из многих элементов. В частности, в статистической физике — мера вероятности осуществления какого-либо макроскопического состояния; в теории информации — мера неопределённости какого-либо опыта (испытания), который может иметь разные исходы, а значит и количество информации; в исторической науке, для экспликации феномена альтернативности истории (инвариантности и вариативности исторического процесса).

   Актуальнейшее значение имеет для человека закон сохранения энергии для термодинамических систем, важнейшими параметрами которых являются количество теплоты (Q), внутренняя энергия тел (U), работа (A), температура (T), энтропия (S). Закон сохранения энергии для термодинамических систем называется первым началом термодинамики и записывается так:

Q=  U+  A.

Такова формулировка второго начала термодинамики:

S   0,

где    S – изменение энтропии. При переходе из неравновесного состояния в равновесное энтропия увеличивается (   S    0), в равновесном состоянии энтропия неизменна (   S=0).

   Второе начало термодинамики было впервые сформулировано Р. Клаузисом (1850). Он исходил из результатов физических экспериментов, но не был в состоянии дать второму началу термодинамики теоретическое объяснение. Теоретическая суть дела выяснилась лишь после создания статистической физики, прежде всего благодаря стараниям Л. Больцмана и Дж. Гиббса.

   Энтропия пропорциональна числу микросостояний, реализующих данное макросостояние. Чем больше это число, тем выше величина вероятности достижения именно данного макросостояния. Закон возрастания энтропии выражает необходимость (тенденцию) перехода системы в наиболее вероятное состояние, для которого характерна максимальная степень неупорядоченности. Маловероятно, что находящиеся в контакте горячее и холодное тела, сохранят именно такое состояние. Более вероятно, что между этими телами произойдет выравнивание температур.

   Исходя из второго начала термодинамики, Р.  Клаузис (1865) пришел к выводу о неизбежной «тепловой смерти» Вселенной: все виды энергии перейдут в тепловую и равномерно распределятся по всей Вселенной.

   Абсолютное значение энтропии зависит от целого ряда физических параметров. При фиксированном объеме энтропия увеличивается с увеличением температуры системы, а при фиксированной температуре увеличивается с увеличением объема и уменьшением давления. Нагревание системы сопровождается фазовыми превращениями и снижением степени упорядоченности системы, поскольку твердое тело переходит в жидкость, а жидкость превращается в газ. При охлаждении вещества происходит обратный процесс, упорядоченность системы возрастает. Эта упорядоченность проявляется в том, что молекулы вещества занимают все более определенное положение относительно друг друга. В твердом теле их положение фиксировано структурой кристаллической решетки.

   Все процессы в природе протекают в направлении увеличения энтропии. Термодинамическому равновесию системы соответствует состояние с максимумом энтропии. Равновесие, которому соответствует максимум энтропии, называется абсолютно устойчивым. Таким образом, увеличение энтропии системы означает переход в состояние, имеющее большую вероятность. То есть энтропия характеризует вероятность, с которой устанавливается то или иное состояние, и является мерой хаотичности или необратимости. Это мера хаоса в расположении атомов, фотонов, электронов и других частиц. Чем больше порядка, тем меньше энтропия. Чем больше информации поступает в систему, тем система более организована, и тем меньше её энтропия.

   Для оценки степени необратимости процессов и степени приближения к термодинамическому равновесию в физике используется математическая характеристика, получившая название энтропии (S) и определяемая в соответствии с формулой:

                                          S = k lnW ,                                                   

где k – постоянная Больцмана, ln – натуральный логарифм, W - термодинамическая вероятность состояния, которая представляет собой число вариантов распределения энергии между частями системы без изменения её основных макроскопических (усреднённых) характеристик (давление, объём, температура). Например, состояние, когда вся энергия тела сосредоточена в одной молекуле, а все остальные молекулы имеют нулевую энергию, может быть реализовано только одним способом, поэтому является маловероятным и имеет W = 1. При равномерном распределении энергии между всеми молекулами количество возможных вариантов распределения является максимальным и W характеризуется практически бесконечно большой величиной (W→ ∞). Не следует путать термодинамическую вероятность с математической вероятностью, минимальное значение которой измеряется нулём (невероятное событие), а максимальное – единицей (обязательно происходящее событие).

   Тенденцию к рассеиванию в материальном мире можно продемонстрировать простейшим опытом, который может провести даже любой школьник. Нужно взять листок бумаги, изрезать его по возможности на очень мелкие кусочки и положить их в виде кучки на какое-либо часто используемое место  в квартире (стул, стол). Далее все члены семьи должны вести себя так, как будто не замечают этих бумажек. Если нужно сесть на это место, – садятся, если нужно что-либо положить, – кладут. Таким поведением будет имитироваться самопроизвольное поведение бумажек в системе, в которой происходят постоянные взаимодействия и превращения энергии. Результат опыта настолько предсказуем, что опыт можно и не проводить. Бумажки через некоторое время окажутся разбросанными по всей квартире. Состояние, когда бумажки могут оказаться снова все вместе, практически невероятно (имеет низкую вероятность W и низкую энтропию S). Состояние с распределением по всей квартире более вероятно (большое значение W и S).

   В окружающем мире такая тенденция проявляется в том, что все предметы со временем разрушаются, материя рассеивается. Нет ничего вечного. Всё появляется и всё исчезает. Речь может идти только о времени жизни того или иного объекта (неживого и живого). Для одних это время измеряется миллиардными долями секунды (некоторые элементарные частицы), для других - миллиардами лет (звёзды и галактики).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Автотрофное питание. Фотосинтез и хлоропласты

 

Процесс потребления  энергии и веществ называется питанием. Энергия необходима для того, чтобы:

• осуществлять синтез веществ, необходимых для роста организма;
• сокращались мышцы и передавались нервные импульсы;
• вещества могли транспортироваться из клетки в клетку;
• температура тела поддерживалась постоянной.

Это только основные процессы, для которых необходима энергия. Кроме того, энергия используется организмами для создания электрических  разрядов, биолюминесценции и много  другого.

Организмы, которые способны синтезировать  органические вещества, необходимые  для жизнедеятельности, из неорганических соединений, принято называть автотрофами.

Автотрофные организмы образуют так  называемую первичную продукцию  – биомассу органического вещества, которая в дальнейшем утилизируется  другими организмами. К автотрофам относятся некоторые бактерии и все без исключения виды зеленых растений.

Автотрофные организмы способны усваивать  углекислый газ из воздуха и превращать его в сложные органические соединения. Таким образом, автотрофы строят свое «тело» из неорганических соединений. Каскад биохимических реакций, конечным продуктом которых являются белки и другие органические вещества, необходимые для жизнедеятельности, требует значительных затрат энергии. По способу получения энергии автотрофы подразделяются на фотоавтотрофы и хемоавтотрофы.

Явление хемосинтеза у бактерий было открыто в 1888 г. выдающимся русским  микробиологом С.Н.Виноградским (1856-1953), показавшим, что в клетках нитрофицирующих бактерий одновременно могут протекать процессы окисления аммиака в азотную кислоту и двуокиси углерода в различные органические соединения.

Аминоавтотрофы синтезируют белок  из минеральных соединений и из воздуха, это в основном почвенные бактерии. У зеленых растений в основе автотрофного типа питания лежит процесс фотосинтеза. Фотосинтез характерен как для высших растений, так и для водорослей и, фотосинтезирующих бактерий. Но наибольшего совершенства фотосинтез достиг все-таки у зеленых растений.

Под фотосинтезом понимают процесс  образования необходимых для  жизнедеятельности, как самих фотосинтезирующих организмов, так и всех других организмов, сложных органических соединений из простых веществ за счет энергии света, поглощаемой хлорофиллом или другими фотосинтетическими пигментами. Начало исследованию фотосинтеза положили работы Дж. Пристли, Ж. Сенебье, Я. Ингенхауза.

Дж. Пристли (1733-1804) в 1771 г. показал, что воздух, «испорченный» горением или дыханием, вновь становится пригодным для дыхания под воздействием зеленых растений. Таким образом, было установлено, что зеленые растения способны поглощать углекислый газ (СО2) и выделять кислород (О2).

Ж. Сенебье (1742-1809) доказал, что источником углерода для зеленых растений является углекислый газ (СО2), который усваивается  ими под влиянием света.

Ю. Майер (1814-1878) выдвинул гипотезу, в  которой утверждалось, что единственным на Земле аккумулятором солнечной энергии являются растения.

Суммарно процесс фотосинтеза  логично выразить таким образом:

 свет

6СО2 + 6Н2Оà С6Н12О6 + 6О2

Во второй половине 19 в. великий русский биолог К.А.Тимирязев  открыл, что светопоглощающим элементом растительной клетки является хлорофилл. Хлорофилл входит в структуру хлоропластов. В одной растительной клетке содержится от 20 до 100 хлоропластов. Хлоропласты окружены мембраной, которая содержит большое количество мешочков – так называемых тилакоидов. В тилакоидах содержатся фотохимические центры и компоненты, участвующие в транспорте электронов и образовании аденозии трифосфорной кислоты (АТК). Тимирязевым была также доказана прямая зависимость между интенсивностью света и скоростью фотосинтеза.

В 1905 г. появилась гипотеза о том, что фотосинтез может проходить и в темноте. Таким образом, процесс фотосинтеза составляют световая и теневая фазы. Однако биохимические доказательства этого предложения были получены лишь в 1937 г. английским исследователем Хиллом. Изучением световых и теневых реакций подробно занимались немецкий физиолог и биохимик Варбург. Главным итогом данного периода в изучении фотосинтеза является то, что было положено начало представлению о фотосинтезе как об окислительно-восстановительном процессе, где восстановление углекислого газа осуществляется при одновременном окислении донора водорода.

В 1941 г. советские ученые А.П.Виноградов установил, что источником выделяющегося при фотосинтезе  кислорода является не углекислый газ, а вода. С середины 20 в. изучению фотосинтеза способствовало создание новых методов исследования (изотопная технология, спектроскопия, электронная микроскопия), позволивших вскрыть тонкие механизмы этого процесса. Наиболее значимыми в этот период являются работы отечественных ученых А.Н. Теренина, А.А. Красновского.