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:
1. Все происходящие события, процессы, явления и т.д. носят случайный характер. В системе постоянно происходят необратимые явления.
2. 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.
3. 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.
4. В окружающей действительности действуют и детерминизм (определенность), и случайность.
5. 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
Схема диссоциации электролита по 1-й ступени имеет следующий вид:
гидроксид ион лития гидроко-группа
При константе диссоциации 1 ст. равновесная концентрация ионов будет равна
,
где – равновесная концентрация электролита после 1 ст.; – 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
Диссоциация кислоты по 1 ступени
азотная нитрат-ион ион
кислота водорода
При константе диссоциации 1 ст. равновесная концентрация ионов будет равна
,
где – равновесная концентрация электролита после 1 ст.; – 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 < 7, что указывает на кислотность среды.
Проводимость электролита HNO3
по первой ступени будет равна
Суммарная проводимость электролита будет равна проводимости электролита по первой ступени
При взаимодействии данных электролитов при заданных концентрациях;
([LiOH]=1·10-3
и [HNO3
]=1·10-5
и при соотношении объёмов Vосн
=1 к Vкис
= 1)
суммарная величина рН будет равна:
если [H+
]суммарная
< [OH–
]суммарная
,
то
,
а если [H+
]суммарная
> [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
что указывает на наличие избытка ионов [Н+
] – среда кислая,
В этом случае возможно образование кислой соли:
LiNO3
образовавшейся по схеме – .
Константа равновесия продукта (образованной соли) равна
Суммарная проводимость данного раствора (
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: 29
Cu – 3d10
4s1
(1s2
2s2
2p6
3s2
3p6
4s2
3d9
)
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:
1. 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
2. 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:
,
где – 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:
,
где – 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 < 0,9 что соответствует достаточному, но не соответствует необходимому условию приема информации, то есть светло-серое табло не будет видно на красном фоне. В общем случае яркость предмета Впред (транспорант-табло)
(«транспарант-табло» светло серого цвета) определяется двумя составляющими:
1. Яркостью излучения светло серого «транспаранта – табло» за счёт внешней заставки красного фона в облачном небе – ;
2. Яркостью отражения в облачном небе красного фона пульта управления – .
А обратный пороговый контраст – наименьший контраст, когда начинается различаться предмет, будет равен
,
где bобр
– пороговая обратная яркость:
2. Фон, на котором расположено информационная надпись синего цвета – светло серый. Предмет на светло сером фоне– надпись синего цвета – прямой контраст
Тогда яркость излучения надписи синего цвета за счёт внешней заставки светло серого фона Визлуч(синей надписи)
(с учётом коэффициента отражения) будет равна:
,
где – освещённость;
– сила света.
В общем виде яркость излучения надписи синего цвета на «транспаранте-табло» будет равна
А яркость отражения светло серого фона «транспаранта-табло» в облачном небе Вотражен. светло серого фона
(с учётом коэффициента отражения) будет равна:
,
Величина прямой контрастности в этом случае будет равна
Кпр
>0,6, но <0,9 что соответствует достаточному, но не соответствует необходимому условию приема информации, то есть надпись синего цвета не будет видно на светло-сером фоне
В общем случае яркость предмета Впред (синяя надпись)
(надписи синего цвета) определяется двумя составляющими:
1. Яркостью излучения синей надписи за счёт «транспаранта-табло» светло-серого цвета в условиях освещенности луны – ;
2. Яркостью отражения в облачном небе светло серого фона пульта управления – .
А прямой пороговый контраст – наименьший контраст, когда начинается различаться предмет, будет равен
,
где bобр
– пороговая обратная яркость:
Вопрос 5
. (Ядерные процессы). Образец из саркофага египетской мумии имеет удельную активность по , равную 8,4 мин-1
∙г. Каков возраст этого саркофага?
Решение:
По закону радиоактивного распада:
,
где - количество нераспавшихся ядер к моменту времени t; N0
– начальное число ядер; Т – период полураспада углерода (5730 лет).
С течением времени скорость распада изменяется, и тогда возраст саркофага египетской мумии равен:
или ,
где - начальная удельная активность углерода (равна 14мин-1
∙г); Аt
– удельная активность углерода в момент времени t (8,4 мин-1
∙г).
Таким образом, считаем возраст саркофага:
Задача 6
.
Арсин
AsH
3
нестойкое соединение и при нагревании легко разлагается на водород и свободный мышьяк, который проявляется как черный блестящий налет. Это свойство арсина применяется при обнаружении мышьяка в различных веществах. Если мышьяк или его соединения находятся в кислой среде (например, в вине, в подкисленном салате и так далее, где рН>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
As2
O3
+ Me + H+
AsH3
↑ + Men
+
+ H2
O
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)
|
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.
Процесс окисления ,
Процесс восстановления ,
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; [As2
O3
] – равновесная концентрация оксида мышьяка; [H2
O] – 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
;
Но, так как < , то более вероятным окислителем является кислород, растворённый в водном растворе вина.
Если –
потенциал катодного процесса, а
потенциал анодного процесса, тогда условие равновесия будет выглядеть следующим образом
= .
После преобразования данного соотношения можно записать
или,
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 a1
для построения прямой кинетической области и a2
– для диффузионной
,
или –tga1
=tg(180-a1
)= 6,338·103
, тогда угол (180–a1
) = 81,04о
, a1
=98,96о
.
,
или –tga2
=tg(180-a2
)=0,986·103
,
тогда угол (180-a2
) = 44,61о
, a2
=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:
для процесса
Vк
= kк
*
·[О2
]×[H2
O]2
= 1,26·[0,21]×[55,56]2
∙10-3
=0,817.
Так как толщина окантовки из титана составляла 30 мкм (3×10-5 см), то данная оболочка разрушится за 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
Vд
= 2,69·[55,56]2
∙[0,21]∙10-3
=1,76
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 υ=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:
где L0
– истинный размер тела, а L – размер тела в ракете, и он будет равен
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.