Молекулярный порядок и беспорядок

1.Молекулярный  порядок и беспорядок.

Тепловая энергия  тела – это энергия хаотического теплового движения его молекул. Этой хаотичностью тепловое движение молекул отличается от макроскопического  механического движения, при котором  все структурные элементы поступательно  движущегося тела имеют одну и  ту же скорость, которая накладывается  на скорость хаотического теплового  движения. Превращение тепловой энергии  в механическую сводится к превращению хаотического теплового движения в движение упорядоченное. Напротив, превращение механической энергии в тепловую связано с разрушением упорядоченного характера механического движения и превращением его в беспорядочное тепловое. Предписанная природой асимметрия делает эти два процесса неравноправными. Превратить упорядоченное движение в тепловое несравненно легче, чем произвести обратное превращение.

Представим себе набор шариков двух цветов, расположенных  в определенном порядке. Нужны были немалые старания, чтобы расположить  их в правильной последовательности. Но достаточно легкого толчка, чтобы  с трудом созданный порядок нарушился и шарики беспорядочно перемешались. И никакими встряхиваниями восстановить ранее существующий порядок практически невозможно, поскольку вероятность такого события ничтожно мала.

А что же такое  порядок и беспорядок в молекулярном мире?

Если каждый предмет  в вашей комнате находится  на отведенном для него месте и  найти его всегда легко, то вы поддерживаете  в своей комнате порядок. Если же вещи не кладутся на свои места, то найти  их нелегко. В вашей комнате беспорядок. Представьте себе, что вещи в комнате  могут сами двигаться, меняя свое положение. Тогда найти их станет еще труднее, причем тем труднее, чем больше их скорости. Этот житейский  пример помогает нам понять, как  определить порядок и беспорядок в молекулярном мире и убедиться  в том, что необратимость (переход  от порядка к беспорядку) в этом мире проявляется более отчетливо.

Если, например, две  части тела находятся при разных температурах, то такое состояние  тела является более упорядоченным, чем то его состояние, при котором  вследствие столкновений молекул между  собой все части тела будут  иметь одинаковую температуру.

Точно так же, если в сосуде, разделенном перегородкой, находятся два разных газа, то такое  состояние системы более упорядочено, чем в смеси этих газов.

Физический смысл 2-го начала термодинамики и заключается  в утверждении, что порядок и  беспорядок в природе "неправомерны", что все сами собой идущие процессы установления равновесия сопровождаются ростом беспорядка.

Это утверждение  отражает тот бесспорный факт, что  любой вид энергии в конце концов переходит в тепло, так как тепловая энергия – это энергия беспорядочных движений, в то время как все другие виды энергии связаны с более упорядоченным движением.

Рассматривая работу тепловых машин, мы убедились, что внутренняя энергия только частично превращается в другие виды энергии, так как  некоторая ее часть переходит  к холодильнику. Это следствие  того факта, что она является энергией хаотического беспорядочного движения молекул и их взаимодействия.

Сходство между  степенью беспорядка в системе и  энтропией очевидно.Естественно поэтому считать энтропию мерой беспорядка системы. Имея в виду связь между энтропией и вероятностью состояния, можно сказать, что состояние с большим беспорядком характеризуется большей термодинамической вероятностью, чем более упорядоченное состояние. С этим связана и необратимость тепловых процессов; они протекают так, чтобы беспорядок в системе увеличивался. Необратимость тепловых процессов – это необратимость порядка и беспорядка. Рассматривая энтропию как меру беспорядка в системе, можно утверждать, что максимуму энтропии соответствует максимально неупорядоченное с микроскопической точки зрения состояние – состояние термодинамического равновесия, имеющее наибольшую вероятность.

Таким образом, с  помощью понятия энтропии, связи  ее с термодинамической вероятностью и степенью беспорядка в системе  удалось проанализировать процессы превращения одних форм энергии  в другие.

И хотя сущность энтропии не может быть раскрыта на ощутимом и привычном для нас макроскопическом уровне и тем более энтропия не может быть измерена, все же именно с введением энтропии термодинамика  стала стройной и завершенной  теорией. И в этом велика заслуга  Больцмана, установившего своеобразный мост между макроскопическим и микроскопическим описанием термодинамической системы. В левой части его знаменитой формулы стоит энтропия – функция, введенная в термодинамику вторым началом и характеризующая любые  самопроизвольные изменения. В правой части равенства стоит величина, связанная с беспорядком и  служащая мерой рассеяния энергии. Понятие рассеяния энергии составляет основу механизма изменений на микроскопическом уровне. Функция S незыблемо принадлежит  классической термодинамике – этому  обобщению гигантского опыта  человечества, а величина W_T (термодинамическая вероятность) непосредственно относится к миру атомов – миру, определяющему "скрытый" механизм происходящих изменений. Формула, выбитая на надгробии Больцмана (S = k lnW_T) – это мост, соединяющий мир доступных нашему восприятию событий и скрытый за их проявлениями основополагающий мир атомов.

2/Построение изображения в сферическом зеркале.

Сферическое зеркало — зеркало, отражающая поверхность которого имеет вид сегмента сферы

Сферическое зеркало может  быть выпуклым или вогнутым — в  зависимости от того, какая сторона  сегмента сферы — выпуклая или  вогнутая — является отражающей. Центр  соответствующей сферическому зеркалу  сферы называется его центром  или оптическим центром, середина сегмента — полюсом зеркала, прямая, проходящая через центр и полюс — главной оптической осью зеркала. Другие прямые, проходящие через центр зеркала и точку, отличную от полюса, называются его побочными оптическими осями.

Параксиальные лучи, параллельные главной оптической оси выпуклого сферического зеркала, так же как и продолжения параксиальных лучей, параллельных главной оптической оси вогнутого сферического зеркала, пересекаются в одной точке, называемой его фокусом. Он расположен посередине между центром и полюсом зеркала, то есть расстояние (f) его до зеркала равно половине радиуса (R):

У сферического зеркала, как  вообще у любого зеркала, отсутствует хроматическая аберрация, но выражена сферическая аберрация. Сферическая аберрация выражена потому, что в отличие от параболического зеркала (то есть сегмента параболоида вращения), сферическое зеркало может собирать в одной точке лишь параксиальные лучи, то есть те из лучей, параллельных главной оптической оси, которые близки к этой оси. Сферическая аберрация в одном из примеров применения сферического вогнутого зеркала, зеркально-линзовом телескопе системы Дмитрия Максутова, устраняется компенсированием специально подобранной линзой — мениском.

Известным примером выпуклого  сферического зеркала является ёлочный шар.

Построение изображения  в сферическом зеркале

Проще всего построить  изображение отрезка, перпендикулярного  главной оптической оси зеркала  и настолько небольшого по высоте, что луч, исходящий из его верхней  точки и параллельный главной  оптической оси зеркала — параксиальный. Его изображение будет также  перпендикулярным главной оптической оси зеркала, расстояние его от зеркала  при известном расстоянии от зеркала  до предмета и фокусного расстояния зеркала можно вычислить по формуле  зеркала. Высота изображения (y') будет  равна произведению высоты предмета (y) на отношение расстояния от изображения  до зеркала (v) к расстоянию от зеркала  до предмета (u):

Для вогнутого  сферического зеркала

Если сферическое зеркало  вогнутое, возможны различные случаи расположения изображения относительно зеркала при различных расстояниях  до предмета. Буквой C обозначен центр зеркала, а буквой F — его фокус. При u>f формула зеркала имеет вид:

а при u<f:

Для построения взято три  луча (хотя достаточно и двух):

• луч, параллельный главной оптической оси после отражении от зеркала пройдёт через его фокус;
• луч, проходящий через фокус после отражения пойдёт параллельно главной оптической оси;
• луч, падающий на полюс зеркала после отражения пойдёт под углом, равным углу падения (по закону отражения света).

Для выпуклого  сферического зеркала

Построение изображения  в выпуклом сферическом зеркале  проще, чем в вогнутом: здесь при  любом расстоянии предмета до зеркала  его изображение будет расположено  за зеркалом. На рисунке ниже буквой F обозначен фокус выпуклого зеркала, буквой V — полюс, y (в формуле u) — высота предмета, y' (в формуле v) — высота изображения. Формула зеркала в этом случае имеет вид:

Для построения взято два  луча:

• луч от верхней точки предмета, параллельный главной оптической оси, отразится от зеркала, и продолжение этого отражённого луча пройдёт через фокус и через верхнюю точку изображения;
• луч от верхней точки предмета, продолжение которого проходит через фокус, после отражения пойдёт параллельно главной оптической оси, а продолжение этого отражённого луча также пройдёт через верхнюю точку изображения.

Таким образом, верхней точкой изображения будет точка пересечения  продолжения первого отражённого  луча и продолжения второго отражённого  луча.