МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ «ЭКОНОМИКИ И ПРЕДПРИНИМАТЕЛЬСТВА»
Кафедра «Экономики и экономической безопасности»
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
по Концепции современного естествознания
Свойства времени и химические процессы в природе
Работу выполнил студент гр. ЭиП-164
Лушников C.В.
Челябинск 2007
Вопрос 1. Порядок и беспорядок в природе
Хаос, беспорядок, понятие окончательно оформившееся в древнегреческой
философии – это трагический образ космического первоединства, начало и
конец всего, вечная смерть всего живого и одновременно принцип и
источник всякого развития, он неупорядочен, всемогущ и безлик.
Рассмотрим кинетическую энергию совокупности частиц. Если вдруг
окажется, что все частицы движутся в одном и том же направлении с
одинаковыми скоростями, то вся система, подобно теннисному мячу, будет
находится в состоянии полета. Система ведет себя в этом случае
аналогично одной массивной частице, и к ней применимы обычные законы
динамики, такое движение называется движением центра масс. Существует,
однако, и другой вид движения. Можно представить себе, что частицы
системы движутся не упорядоченно, а хаотически: полная энергия системы
может быть той же самой, что и в первом случае, но теперь отсутствует
результирующее движение, поскольку направления и скорости движения
атомов беспорядочны. Если бы мы могли проследить за какой-либо отдельной
частицей, то увидели бы, что она проходит небольшое расстояние вправо,
затем, соударяясь с соседней частицей, смещается немного влево, снова
соударяется и т. д. Основная черта этого вида движения состоит в
отсутствии корреляции между движениями различных частиц; иными словами,
их движения некогерентны (неупорядочены).
Описанное случайное, хаотическое, некоррелированное, некогерентное,
неупорядоченное движение называется тепловым движением. Очевидно,
понятие теплового движения неприменимо к отдельной частице, поскольку
бессмысленно говорить о некоррелированном движении одной частицы. Иными
словами, когда мы переходим от рассмотрения движения отдельной частицы к
системам многих частиц и при этом возникает вопрос о наличии корреляций
в их движениях, мы по существу переходим от обычной динамики в новую
область физики, которая называется термодинамикой. Итак, существует два
вида движения частиц в сложных системах: движение может быть когерентным
(упорядоченным), когда все частицы движутся согласованно (“в ногу”),
или, напротив, неупорядоченным, когда все частицы движутся хаотически.
Естественное стремление энергии к рассеянию определяет и направление, в
котором происходят физические процессы в природе. Под этим понимается
рассеяние энергии в пространстве, рассеяние частиц, обладающих энергией,
и потеря упорядоченности, свойственное движению этих частиц. Первое
начало термодинамики в принципе не отрицает возможности событий,
казалось бы противоречащих здравому смыслу и повседневному опыту:
например, мяч мог бы начать подскакивать за счет своего охлаждения,
пружина могла бы самопроизвольно сжаться, а кусок железа мог бы
самопроизвольно стать более горячим, чем окружающее пространство. Все
эти явления не нарушили бы закона сохранения энергии. Однако в
действительности ни одно из них не происходит, поскольку нужная для
этого энергия, хотя и имеется в наличии, но недоступна. Если не
принимать всерьез существующий в принципе, но чрезвычайно небольшой
шанс, можно смело утверждать, что энергия никогда не может сама по себе
локализоваться, собравшись в избытке в какой-либо небольшой части
Вселенной. Однако, если бы даже произошло, еще менее вероятно, что
подобная локализация была бы упорядоченной. Естественные процессы – это
всегда процессы, сопровождающие рассеяние, диссипацию энергии. Отсюда
становится ясным, почему горячий объект охлаждается до температуры
окружающей среды, почему упорядоченное движение уступает место
неупорядоченному и, в частности, почему механическое движение вследствие
трения полностью переходит в тепловое. Столь же просто осознать, что
любые проявления асимметрии, так или иначе сводятся к рассеянию энергии.
Проявление любых диспропорций в организационной структуре объекта
приводит к образованию асимметрии как по отношению к окружающей среде,
так и для самой структуры в частности, это может привести к увеличению
потенциальной энергии или, при большом скоплении этой энергии, к распаду
системы, как противоречащей законам природы (общества). Организация
создается из хаоса (общества) одним или несколькими возбужденными
атомами (предпринимателями) и в хаос проваливается при ликвидации.
Естественные, самопроизвольно происходящие процессы – это переход от
порядка к хаосу. Поставим теперь следующий вопрос: сколькими способами
можно произвести перестройку внутри системы, так чтобы внешний
наблюдатель не заметил ее. Отметим, что в формулировке вопроса учтено то
существенное, что характеризует переход от мира атомов к
макроскопической системе, а именно “слепота” внешнего наблюдателя по
отношению к “индивидуальностям” атомов, образующих систему.
Термодинамика имеет дело только с усредненным поведением огромных
совокупностей атомов, причем поведение каждого отдельного атома не
играет роли. Если внешний наблюдатель, изучающий термодинамику, не
заметил, что в системе произошло изменение, то состояние системы
считается неизменным. Лишь “педантичный” наблюдатель, тщательно следящий
за поведением каждого атома, будет знать, что изменение все-таки
произошло. Сделаем теперь последний шаг на пути к полному определению
хаоса. Предположим, что частицы вселенной не закреплены и могут, подобно
состоянию возбуждения и энергии, свободно перемещаться с места на место;
например, такое могло бы случиться, если бы Вселенная была газом.
Предположим также, что мы создали начальное состояние вселенной, пустив
струю газа в правый нижний угол сосуда. Интуитивно мы понимаем, что
произойдет: облако частиц начнет самопроизвольно распространяться и
через некоторое время заполнит весь сосуд. Такое поведение вселенной
можно трактовать как установление хаоса. Газ — это облако случайно
движущихся частиц (само название “газ” происходит от того же корня, что
и “хаос”). Частицы мчатся во всех направлениях, сталкиваясь и
отталкиваясь друг от друга после каждого столкновения. Движения и
столкновения приводят к быстрому рассеиванию облака, так что вскоре оно
равномерно распределяется по всему доступному пространству. Теперь
существует лишь ничтожно малый шанс, что все частицы газа когда-нибудь
спонтанно и одновременно вновь соберутся в угол сосуда, создав
первоначальную конфигурацию. Разумеется, их можно собрать в угол с
помощью поршня, но это означает совершение работы, следовательно,
процесс возврата частиц в исходное состояние не будет самопроизвольным.
Ясно, что наблюдаемые изменения объясняются склонностью энергии к
рассеянию. Действительно, теперь состояние возбуждения атомов оказалось
физически рассеянным в пространстве вследствие спонтанного рассеяния
атомов по объему сосуда. Каждый атом обладает кинетической энергией, и
потому распространение атомов по сосуду приводит и к распространению
энергии. В химии, как и в физике, все естественные изменения вызваны
бесцельной “деятельностью” хаоса. Мы познакомились с двумя важнейшими
достижениями Больцмана: он установил, каким образом хаос определяет
направление изменений и как он устанавливает скорость этих изменений. Мы
убедились также в том, что именно непреднамеренная и бесцельная
деятельность хаоса переводит мир в состояния, характеризующиеся все
большей вероятностью. На этой основе можно объяснить не только простые
физические изменения (скажем, охлаждение куска металла), но и сложные
изменения, происходящие при превращениях вещества. Но вместе с тем мы
обнаружили, что хаос может приводить к порядку. Если дело касается
физических изменений, то под этим понимается совершение работы, в
результате которой в свою очередь могут возникать сложные структуры,
иногда огромного масштаба. При химических изменениях порядок также
рождается из хаоса; в этом случае, однако, под порядком понимается такое
расположение атомов, которое осуществляется на микроскопическом уровне.
Но при любом масштабе порядок может возникать за счет хаоса; точнее
говоря, он создается локально за счет возникновения неупорядоченности
где-то в ином месте. Таковы причины и движущие силы происходящих в
природе изменений.
Исходя из изложенного материала, можно выделить следующие принципы:
Все происходящие события, процессы, явления и т.д. носят случайный
характер. В системе постоянно происходят необратимые явления.
Необратимые процессы являются источником порядка, что считается высоким
уровнем организации материи, например, диссипативные структуры. Второе
начало термодинамики – это не просто безостановочный переход систем к
виду, лишённому какой-либо организации, т.е. энтропия – это
характеристика порядка на различных уровнях эволюции.
Обратимость (если речь идет о больших промежутках времени) присуща всем
замкнутым системам, а необратимость – возможно, всей остальной части
Вселенной. При неравновесных условиях энтропия характеризует не
деградацию, а установление нового порядка.
В окружающей действительности действуют и детерминизм (определенность),
и случайность.
Случайность рассматривается как необходимость.
Пригожин и Стенгерс считают, что в точке бифуркации невозможно
предсказать, в какое состояние перейдет система. Случайность
подталкивает систему на новый путь развития под действием определенных
сил. А после того, как путь определен (один из многих возможных), то
вновь вступает в силу детерминизм (определенность), и так далее до
следующей точки бифуркации. То есть случайность и необходимость
выступают не как несовместимые противоположности, а как взаимно
дополняющие друг друга положения.
Вопрос 2. (Кл. соед.). Напишите процессы диссоциации электролитов LiOH
+ HNO3=. Определите рН и проводимость раствора образовавшегося
электролита при концентрации основания 0.001 М и кислоты 1·10-5 М
(соотношение объёмов кислоты и основания принять равным 1 к 1)
Сольватные радиусы при этом принять следующие:
(однозарядный положительный ион),
(двухзарядный положительный ион),
(трёхзарядный положительный ион),
(однозарядный отрицательный ион),
(двухзарядный отрицательный ион),
(трёхзарядный отрицательный ион).
Решение
по 1-й ступени имеет следующий вид:
гидроксид ион лития гидроко-группа
При константе диссоциации 1 ст. равновесная концентрация ионов будет
равна
,
– равновесные концентрации ионов после 1 ст.
Равновесные концентрации ионов после преобразования данного уравнения
будут равны:
И после подстановки величин, концентрации ионов будет
.
Тогда концентрация ионов водорода составит
,
pH=-lg[(H+)1ст]=-lg[5,00·10-13])=12,3 > 7,
что указывает на основность среды.
Проводимость электролита LiOH по первой ступени будет равна
по 1 ступени
азотная нитрат-ион ион кислота водорода
При константе диссоциации 1 ст. равновесная концентрация ионов будет
равна
,
– равновесные концентрации ионов после 1 ст.
Равновесные концентрации ионов после преобразования данного уравнения,
будут равны:
И после подстановки величин, концентрации ионов составят
.
Тогда pH среды будет равна
pH=-lg[(H+)1ст]=-lg[3,00·10-3]=2,52 [OH–]суммарная, то наоборот
Так как суммарная концентрация гидроксид-ионов
[OH-]суммарная=5,00?10-13
Меньше суммарной концентрации водородных ионов [H+]суммарная=3,00?10-3,
То есть [H+]суммарная=3,00?10-3>[OH-]суммарная=5,00?10-13
&
8
:
@
B
D
F
Z
–
?
>
@
z
|
h
–
–
”
$
&
D
?
?
X†X????a??????EEEEE??????
&
h
???????????
jM
H*
???????????H`P`v`?`?`?`U`Ue`TH`a`ue`th`a
a”a$a&a(a6a8aLaNaTaVadafavaxazaoeaOEO»®EO?›’‚u›akdkdZdPIPIP
H*
†s
Y`YdYlYpY??¬?O©?????????????????aeaeaeaeaeaeae????
что указывает на наличие избытка ионов [Н+] – среда кислая,
В этом случае возможно образование кислой соли:
.
Константа равновесия продукта (образованной соли) равна
Суммарная проводимость данного раствора (с учётом образования соли)
будет равна:
Вопрос 3. Пользуясь периодической системой элементов Д.И. Менделеева,
составьте электронную формулу атома металла, распределите валентные
электроны по атомным орбиталям и определите ковалентность атома МЕДИ и
ХЛОРА в нормальном и во всех возможно возбуждённых состояниях
Медь: 29Cu – 3d104s1 (1s22s22p63s23p64s23d9)
Возбужденного состояния нет, провал электрона
K=1
Вопрос 4. Требуется разработать пульт информации с заданными
характеристиками: пульт управления – красного цвета (фон);
«транспарант-табло» – светло серого цвета (табло); надпись на
«транспаранте» – синего цвета; угол восприятия – 45о; Минимальное
воспринимаемое расстояние r=65 м; площадь надписи на
«транспаранте-табло» равна 1,59 м2; площадь серого фона – 7,5 м2,
площадь «транспаранта – табло» равно 2,8 м2.
Необходимо знать, будут ли обеспечены достаточные или необходимые
условия для приёма информации оператором в условиях освещённости
облачного неба?
Условия «нормальной» работы – наилучшая (хорошая) видность светло серого
«транспаранта-табло» на красном фоне:
При Кобр – обратной контрастности, когда фон красный – тёмный; предмет
– «транспарант-табло» – светло серый – светлый – белый по чёрному, так
как коэффициент отражения красного фона меньше коэффициента отражения
светло-серого транспаранта-табло
При Кпрям – прямой контрастности, когда фон светло серый – светлый:
предмет – надпись на транспаранте – табло синего цвета – темный – чёрный
по белому, так как коэффициент отражения фона больше коэффициента
отражения предмета.
1. Фон, на котором расположено информационное табло красный. Предмет на
красном фоне — табло светло серого цвета – обратный контраст.
Тогда яркость излучения светло серого «транспаранта – табло» за счёт
внешней заставки красного фона – Визлуч (светло серого табло) (с учётом
коэффициента отражения) будет равна:
,
– освещённость;
– сила света.
В общем виде яркость излучения светло серого «транспаранта-табло» будет
равна
А яркость отражения красного фона в облачном небе Вотражен. красного
фона ) (с учётом коэффициента отражения см. табл.1) будет равна:
,
– освещённость;
– сила света.
В общем виде яркость отражения красного фона пульта управления будет
равна
Величина обратной контрастности в этом случае будет равна
Кобр > 0,6 , но 0,6, но 7), то при добавлении в вещество восстановителя возможно получить
арсин. Применяя законы термодинамики, оцените возможность обнаружения
мышьяка или его соединений в медном кувшине покрытым кадмием с
подкисленной водой?
Протекание процесса окисления без стехиометрических коэффициентов можно
представить следующей схемой
AsH3? + Men+ + H2O
Определите, если такое возможно, сколько времени понадобится для оценки
(обнаружения) наличия яда в веществе и в каком температурном интервале
могут протекать данные процессы?
Исходные справочные данные
Наименование матери ала Диапазон температур, К Эффективная константа
скорости гетерогенного процесса k* Энергия активации кинетической
области
Е акт(к), кДж/моль; Энергия активации диффузионной области Е акт (д),
кДж/моль; РН раствора
Cu 273-313 От 0,037 до 25,65 131,56 14,85 6,15
Ti
От 0,045 до 29,875 121,37 18,89
Решение
Сначала необходимо определить, какое из веществ – Cu или Ti – будет
окисляться
значит в реакции обнаружения мышьяка будет участвовать Ti. Что же тогда
необходимо сделать?
1. Проверить возможность процесса разрушения титановой оболочки,
протекающего по схеме:
Титан является восстановителем (степень окисления изменяется от 0 до
+4). Арсин является окислителем (степень окисления изменяется от +3 до
-3). Таким образом, очевидно, что в данном случае этот процесс является
окислительно-восстановительным.
,
,
Суммарный процесс, с учётом равенства коэффициентов будет выглядеть так:
,
а константа равновесия для суммарного процесса равна
,
где [AsH3] – равновесная концентрация арсина; [Ti4+] – равновесная
концентрация ионов титана; [As2O3] – равновесная концентрация оксида
мышьяка; [H2O] – концентрация воды (const); [Ti]- – равновесная
концентрация титана;. [H+] – равновесная концентрация ионов водорода.
Окислителем, в данном случае, может быть и ион водорода [H+], так как
рН=6,15 среды (по условию задачи) меньше 7. Процесс восстановления в
данном случае описывается схемой
;
, то более вероятным окислителем является кислород, растворённый в
водном растворе вина.
–
потенциал катодного процесса, а
потенциал анодного процесса, тогда условие равновесия будет выглядеть
следующим образом
.
После преобразования данного соотношения можно записать
,
Константа равновесия равна
При подстановке в выражения энергии Гиббса
можно предположить, что протекание процесса разрушения титана вероятно,
так как Kp >1.
2. Для нахождения температурного интервала протекание процесса диффузии
и кинетики по исходным данным необходимо построить графическую
зависимость lgk* от 1/Т.
Схема процесса разрушения (окисления) титана выглядит следующим образом
.
При построении графической зависимости lgk* от 1/Т производятся
следующие расчёты. По исходным данным энергии активации и температуре
определяются углы (( для построения прямой кинетической области и (2 –
для диффузионной
,
или –tg((=tg(180-(()= 6,338·103, тогда угол (180–(() = 81,04о,
((=98,96о.
,
или –tg(2=tg(180-(2)=0,986·103,
тогда угол (180-(2) = 44,61о, (2=135,39о
По графической зависимости (рис.2) возможно определить температурные
интервалы кинетической области, который начинается с температуры 279,3 К
и ниже (рис. кривая 1), а температурный интервал диффузионной области
начинается с температуры 282,5 К и выше (кривая 2).
Рис. 1. Зависимость lgk* от 1/T для гетерогенного процесса разрушения
Температурный коэффициент кинетической области равен
При этом kк* – эффективная константа скорости гетерогенного процесса
кинетической области равна – (lgkк*=0,1 по графику зависимость lgkк* от
1/T), а kк*= 1,26 см/с.
Скорость кинетического процесса начиная с температуры 279,3К
(температурная граница протекания процесса взаимодействия – кинетическая
область) будет равна:
.
секунд (то есть практически мгновенно).
Температурный коэффициент диффузионной области равен
При этом kд* – эффективная константа скорости диффузии равна –
(lgkд*=0,43 по графику зависимость lgkд* от 1/T), kд*= 2,69 см/с, а
скорость процесса в диффузионной области, начиная с температуры 282,5 К
и выше равна:
Для процесса доставки окислителя – кислорода воздуха, растворённого в
воде в зону взаимодействия
При подстановке в выражения определения энергии Гиббса (при температуре
Т=279,3 К (граница начала кинетической области)
Данные расчётов показали, что процесс разрушения титана на бокале с
вином, где находится ядовитое вещество мышьяк при температуре 279,3 К и
ниже, вероятен.
Общий вывод. Процесс разрушения титана на бокале вероятен при
температуре 279,3 и ниже. Процесс может немного быть заторможен из-за
образования оксидной плёнки.
Вопрос 7. Ракета движется относительно наблюдателя на земле со скоростью
?=0.95?c, где с=3 108 м/с – скорость света в вакууме. За какое время
пройдёт событие относительно наблюдателя на земле, если событие в ракете
прошло за время равное двум годам и четырем годам? Как изменятся
линейные размеры тел в ракете (по направлению её движения) по отношению
наблюдателя на земле?
Решение
Дельта t0 – время в ракете; дельта t – время события относительно
наблюдателя на земле.
I. Определение времени:
1. Два года
2. Четыре года
II. Определение линейных размеров тел:
Ответ: 6,41 лет; 12,82 лет; 0,31225L0
Вывод: в ракете, движущейся со скоростью, близкой к скорости света,
время события увеличивается, а линейные размеры тел уменьшаются.
PAGE
PAGE 1
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
