Концепции современного естествознания (стр. 2 из 5)

Во время фазового перехода температура не меняется, но меняет­ся объем системы. Фазовые переходы бывают нескольких родов. Существуют такие условия давления и температуры, при которых вещество находится в равновесии в разных фазах. Температуры, при которых происходят переходы из одной фазы в другую, называются температурами перехода. Они зависят от дав­ления, хотя и в различной степени: температура плавления — сла­бее, температуры парообразования и сублимации — сильнее.

Изменения агрегатных состояний вещества называются фазовыми переходами 1-го рода, если: 1) температура постоянна во время все­го перехода; 2) меняется объем системы; 3) меняется энтропия системы.

Чтобы произошел такой фазовый переход, нужно данной массе вещества сообщить определенное количество тепла, соответствующе­го скрытой теплоте превращения. В самом деле, при переходе из бо­лее конденсированной фазы в фазу с меньшей плотностью нужно сообщить некоторое количество энергии в форме теплоты, которое пойдет на разрушение кристаллической решетки (при плавлении) или на удаление молекул жидкости друг от. друга (при парообразова­нии). Во время преобразования скрытая теплота пойдет на преодоле­ние сил сцепления, интенсивность теплового движения не изменит­ся, в результате температура остается постоянной. При таком перехо­де степень беспорядка, следовательно, и энтропия, возрастает. Если процесс идет в обратном направления, то скрытая теплота выделяется.

Фазовые переходы 2-го, 3-го и т.д. родов связаны с порядком тех производных термодинамического потенциала дФ, которые ис­пытывают конечные изменения в точке перехода.

Такая классификация фазовых превращений связана с работами физика-теоретика Пауля Эренфеста. Так, в случае фа­зового перехода 2-го рода в точке перехода испытывают скачки про­изводные второго порядка: теплоемкость при постоянном давлении с = -Т(д2 Ф/дТ2 ), сжимаемость b=-(1/V0 )( д2 Ф/дp2 ), коэффициент теплового расширения a= (1/V0 )( д2 Ф/дTp), тогда как первые произ­водные остаются непрерывными. Это означает отсутствие выделения (поглощения) тепла и изменения удельного объема (Ф — термоди­намический потенциал).

В 1937 г. Ландау показал, что фазовые переходы 2-го рода связаны с изменени­ем симметрии системы: выше точки перехода система, как правило, обладает бо­лее высокой симметрией. Например, в магнетике спиновые моменты выше точки ориентированы хаотически, и одновременное вращение всех спинов вокруг одной оси на одинаковый угол не изменяет свойств системы. Ниже точки перехода спи­ны имеют некоторую преимущественную ориентацию, и одновременный их пово­рот меняет направление магнитного момента системы. Ландау ввел коэффициент упорядочения и разложил термодинамический потенциал в точке перехода по сте­пеням этого коэффициента, на основе чего построил классификацию всех возмож­ных типов переходов, а также теорию явлений сверхтекучести и сверхпроводи­мости.

В окружающей нас природе мы особенно часто наблюдаем фазо­вые переходы воды. При переходе воды в пар происходит сначала испарение — переход поверхностного слоя жидкости в пар, при этом в пар переходят только самые быстрые молекулы: они должны пре­одолеть притяжение окружающих молекул, поэтому уменьшаются их средняя кинетическая энергия и, соответственно, температура жид­кости. Наблюдается в быту и обратный процесс — конденсация.

Оба эти процесса зависят от внешних условий. В некоторых случа­ях между ними устанавливается динамическое равновесие, когда чис­ло молекул, покидающих жидкость, становится равным числу моле­кул, возвращающихся в нее. Опыт показывает, что насыщенный пар, или пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидко­стью, не подчиняется закону Бойля — Мариотта, поскольку его дав­ление не зависит от объема. Процессы испарения и конденсации воды обуславливают сложные взаимодействия атмосферы и гидросферы, имеют важное значение в формировании погоды и климата. Между атмосферой и гидросферой происходит непрерывный обмен веще­ством (круговорот воды) и энергией.

Исследования показали, что с поверхности Мирового океана, со­ставляющего 94 % земной гидросферы, за сутки испаряется около 7 000 км3 воды и примерно столько же выпадает в виде осадков. Во­дяной пар, увлекаемый конвекционным движением воздуха, подни­мается вверх и попадает в холодные слои тропосферы. По мере подъе­ма пар становится все более насыщенным, затем конденсируется, об­разуя дождевые и облачные капли. В процессе конденсации пара в тропосфере за сутки выделяется около 1,6-1022 Дж теплоты, что в десятки тысяч раз превосходит вырабатываемую человечеством энер­гию за то же время.

Если процесс перехода жидкости в пар происходит во всем объе­ме, то его называют кипением. Разрыв пузырьков у поверхности ки­пящей жидкости свидетельствует, что давление пара в них превыша­ет давление над поверхностью жидкости.

Поздней осенью, когда после сырой погоды наступает резкое по­холодание, на ветвях деревьев и на проводах можно наблюдать иней — это десублимировавшие кристаллики льда. Подобное явление ис­пользуют при хранении мороженого, когда углекислота охлаждает­ся, так как переходящие в пар молекулы уносят энергию. На Марсе явления сублимации и десублимации углекислоты в его полярных шапках играют такую же роль, что и испарение — конденсация в атмосфере и гидросфере Земли.

5. в чем уникальность строения атома углерода и почему он так распространен в соединениях. Почему нашу жизнь иногда называют углеродной.

С точки зрения химии жизнь — это всевозможные превращения разнообразных крупных и сложных молекул, главным элементом ко­торых является углерод. Он важен не с точки зрения распространенности на Земле, в земной коре углерода всего 0,055 %, в то время как кислорода 60,50 %, кремния 20,45 % и даже титана 0,27 %. В атмосфере двуокиси углерода 0,03 %, т. е. углерода всего 0,008 %. Все биологически функциональные вещества, кроме несколь­ких солей и воды, содержат углерод. Это белки, жиры, углеводы, гормоны, витамины. Число соединений углерода огромно. Они назы­ваются органическими соединениями, поскольку когда-то считалось, что такие молекулы могут образовываться только в живых организ­мах.

Органическая химия посвящена изучению углерода и его соеди­нений. Атомный номер углерода — 6, его ядро содержит шесть про­тонов и шесть нейтронов, вокруг ядра вращаются шесть электронов, масса атома С равна 12. При химических реакциях углерод способен присоединить 4 электрона и образовать устойчивую оболочку из восьми электронов, т. е. имеет валентность, равную четырем, и спо­собен к прочной ковалентной (присоединением электронов) связи. Например, эмпирическая формула одного из таких прочных соеди­нений — метана — СН4 , а в структурном изображении — это тетра­эдр (четыре симметричные связи углерода).

Уникальным свойством углерода является его способность образо­вывать стабильные цепи и кольца, которые обеспечивают разнооб­разие органических соединений, причем эти связи могут быть крат­ными. При этом важно расположение атомов в пространстве, которое приводит к оптической активности вещества, к отличию в повороте плоскости поляризации проходящего света (рис. 1). Структурные формулы наглядно отражают связь формулы со свойствами вещества, с их помощью стало возможным объяснение изомерии и предсказа­ние свойств неизвестных еще соединений.


Рис. 1. Способы соединения атомов углерода друг с другом Черточки со свободными концами при каждом атоме углерода показывают, что он может образовывать связи с атомами других элементов (обычно это водород, кислород, азот, сера)

Зная валентность углерода, можно достаточно просто изобразить положение всех недостающих водородных атомов, что позволяет со­средоточить внимание на наиболее важных связях и химических груп­пах. Такие прочные ковалентные связи углерод может образовывать и с атомами других элементов (Н, О, Р, N, S), и с углеродными (С-С связь). Внутреннее отличие органики от большинства неорга­нических соединений выражается в том, что химические связи, как правило, в органических соединениях валентные, а ионные связи — очень редки. Поэтому углерод обладает этими уникальными свойствами, среди которых еще не отмечена способность соединений углерода к полимеризации и поликонденсации, а наша жизнь называется углеродной.

6. Преобразования энергии и круговорот веществ в природе. Чем они отличаются и что между ними общего.

Биосфера представляет из себя единство живого и минеральных элементов, вовлеченных в сферу жизни. Она распределена по земной поверхности крайне неравномерно и в различных природных услови­ях принимает вид относительно независимых комплексов — биогеоценозов (или экосистем). Живая часть биогеоценоза — биоценоз - состоит из популяций организмов разных видов.

Одним из самых больших достижений науки в XX в. является выяснение механизмов превращения энергии в биологических системах Сейчас уже понятно, как солнечная энергия преобразуется в специальных пигментных структурах расте­ний в энергию химических связей, как превращаются вещества в процессах бро­жения и гликолиза (окисление углеводов без кислорода), как происходит внутри­клеточное дыхание — перенос электронов в митохондриях от коферментов к кис­лороду. В центре этих превращений в клетке находится АТФ, которая синтезирует­ся из АДФ и Н3 РО4 за счет световой энергии или энергии, выделяемой при гликолизе, брожении или дыхании. При гликолизе АТФ выделяется энергия, необходимая для совершения всей работы живого организма — от создания градиентов концен­трации ионов и сокращения мышц до синтеза белка.