▪ раздвоение единого и познания противоположных частей его
▪ диалектическое отрицание
▪ восхождение от абстрактного к конкретному.
▪ единство анализа и синтеза
7. Возможности и ограниченность научных методов познания. Научная методология.
Методология науки — это система знаний о принципах построения, формах и способах организации научного познания, а также о способах установления степени достаточной обоснованности и верифицированности знаний, получаемых в процессе научного исследования естественных (природных) и социальных явлений.
Границы:
8. Проблема истинности в научном познании (объективность и субъективность, абсолютность и относительность).
9. Материя и её виды. Движение и его формы. Связь материи с пространством и временем. Необратимость времени. Современные представления о пространстве и времени.
Материя — это бесконечное множество всех существующих в мире объектов и систем, субстрат любых свойств, связей, отношений и форм движения.
Движение — это способ существования материи. Формы движения:
Пространство - есть форма бытия материи, характеризующая ее протяженность, сосуществование и взаимодействие материальных тел во всех системах.
Время - форма бытия материи, выражающая длительность ее существования, последовательность смены состояний всех материальных систем.
Время течет от прошлого через настоящее к будущему, и обратное течение его невозможно. Необратимость времени связана с необратимостью протекания фундаментальных материальных процессов.
Философы усматривают связь необратимости времени с необратимостью термодинамических процессов и с действием закона возрастания энтропии.
В микрофизике необратимость времени связывается с характером законов квантовой механики. Существуют также космологические подходы к обоснованию необратимости времени. Наиболее широкое распространение получила причинная концепция времени; её сторонники считают, что при обратном течении времени причинная связь оказывалась бы невозможной.
10. Виды организации материи. Информация. Уровни структурной организации материи. Ритмическая организация материи. Космические, солнечные, биологические ритмы. Симметрия и асимметрия в неживой и живой природе.
Информация — это вся совокупность сведений об окружающем нас мире, о всевозможных протекающих в нем процессах, которые могут быть восприняты живыми организмами, электронными машинами и другими информационными системами.
Временной ритм - тип связи событий, обеспечивающий упорядочение процессов во времени. Космический ритм
Суточный ритм.
Сутки – время полного оборота Земли вокруг оси. При этом все тела на поверхности Земли, находящиеся на экваторе, приобретают линейную скорость 0,5 км/с. Ось вращения Земли в настоящее время наклонена к плоскости орбиты (эклиптике) под углом 66033¢. Этот наклон – причина изменения продолжительности дня и ночи в течение года. На вращение Земли оказывает влияние притяжение Луны. Помимо приливов луна вызывает замедление вращения Земли. С помощью точных атомных часов установлено, что за каждые 100 лет «суточные часы» отстают на 100 с, а за 2000 лет – на 3,5 часа.
Годичный ритм.
Год – время оборота Земли вокруг солнца, линейная скорость вращения Земли 30 км/ч. Орбитальное движение Земли обеспечивает климат различных областей земной поверхности.
В ходе орбитального движения происходит смена времен года. Причина этого – наклон земной оси (на Уране и Юпитере, оси которых не наклонены к эклиптике, времен года нет)
Солнечный ритм
Можно выделить
▪ клеточные,
▪ органные,
▪ организменные,
▪ популяционныеритмы.
По функциональной направленности различают
▪ собственные рабочие (физиологические) ритмы, обеспечивающие сбалансированность физико – химических процессов в организме,
▪ адаптивные, роль которых – обеспечение приспособляемости организма к изменениям среды, а периоды близки к параметрам геофизических циклов.
По природе ритмические процессы подразделяются на
▪ механические (биение сердца, ритм дыхания, сокращения перистальтики и др.)
▪ электромагнитные (a - ритмы головного мозга )
Симметрия – это понятие, отражающее существующий в природе порядок, пропорциональность и соразмерность между элементами какой-либо системы или объекта природы, упорядоченность, равновесие системы, устойчивость, то есть некий элемент гармонии.
Асимметрия – понятие, противоположное симметрии, отражающее разупорядочение системы, нарушение равновесия, что связано с изменением и развитием системы.
11. Модель Большого Взрыва в расширяющейся Вселенной. Корпускулярная и континуальная концепции описания Природы. Современное естествознание об основных типах и видах физических взаимодействий.
В настоящее время существует несколько космологических моделей,̆ объясняющих отдельные аспекты возникновения материи во Вселенной,̆ но они не объясняют причин и процесса рождения самой̆ Вселенной.̆ Из всей̆ совокупности современных космологических теорий только теория Большого взрыва Г. Гамова смогла к настоящему времени удовлетворительно объяснить почти все факты, связанные с этой̆ проблемой.̆ Основные черты модели Большого взрыва сохранились до сих пор, хотя и были позже дополнены теорией̆ инфляции, или теорией̆ раздувающееся Вселенной,̆ разработанной̆ американскими учеными А. Готом и П. Стеин̆ -хардтом и дополненной̆ советским физиком А.Д. Линде. Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва, происшедшего примерно 15 млрд. лет тому назад. Тогда все вещество и вся энергия Вселенной̆ были сконцентрированы в одном крохотном сверхплотном сгустке. Если верить математическим расчетам, то в начале расширения радиус Вселенной̆ был и вовсе равен нулю, а ее плотность равна бесконечности. Это начальное состояние называется сингулярностью — точечный̆ объем с бесконечной̆ плотностью. Считается, что Вселенная в начальном состоянии имела определенную плотность и размеры. По некоторым подсчетам, если все вещество наблюдаемой̆ Вселенной,̆ которое оценивается примерно в 1061 г, сжать до плотности 1094 г/см3, то оно займёт объем около 10-33 см3. Ни в какой̆ электронный̆ микроскоп разглядеть ее было бы невозможно.
С момента возникновения теоретического мышления в истории человеческих представлений о природе постоянно соперничали две концепции, два общих объяснительных подхода. Первая из них, корпускулярная, основана на представлении о том, что все на свете состоит из мельчайших частиц, атомов, движущихся в пустоте. Древнеримский̆ поэт и философ Лукреций Кар, исходя из понимания мира как движущихся атомов, в своей̆ поэме «О природе вещей»̆ дал объяснение множеству природных явлении:̆ белье сохнет потому, что от него отрываются атомы воды, каменные ступени стираются подошвами людей,̆ уносящих на них атомы камня. Он считал свет потоком корпускул и правильно объяснял зрение действием на глаза атомов, летящих от всех тел (до него бытовало представление, что глаз осязает окружающее с помощью неких щупалец). Лукреций понимал относительность движения; за шестнадцать столетий до Галилея он, споря с Аристотелем, объяснил меньшую скорость падения легких тел по сравнению с более тяжелым сопротивлением воздуха и заключил отсюда, что в пустоте все тела должны падать одинаково быстро. Вторая концепция, континуальная исходит из представления о том, что основой̆ вещей̆ является некая непрерывная, бесконечно делимая субстанция, не имеющая определенных границ и заполняющая Вселенную без пустот.
Несмотря на большую трудность для понимания (а может быть, именно поэтому) континуальная концепция была более популярна среди древнегреческих мыслителей,̆ чем атомистическая:
12. Механические колебания и волны. Электромагнитное излучение. Оптические свойства материалов. Шкала электромагнитного излучения.
Колебательным процессом (колебанием) называется такое изменение состояния системы, при котором значения параметров состояния последовательно отклоняются то в одну, то в другую сторону от некоторого значения.
Свободные колебания — это колебания, которые совершаются под действием внутренних сил, пропорциональных смещению и направленных к положению равновесия. Они совершаются за счет первоначально сообщенной энергии при последующем отсутствии внешних воздействий на колебательную систему.
Гармоническими называются колебания, при которых величины, описывающие систему, изменяются по закону синуса или косинуса. Этими величинами могут быть: координата точки, энергия, напряжённость электрического поля, индукция магнитного поля, скорость и т.д.
Уравнение гармонических колебаний:
где х - значение изменяющейся величины в данный момент времени, хm - амплитуда колебаний, - циклическая частота, 0 - начальная фаза.
Амплитуда колебаний — это модуль максимального отклонения изменяющейся величина от положения равновесия.
Частота — это число колебаний за единицу времени (обычно за секунду). В системе СИ частота измеряется в герцах (Гц).
Циклическая частота — это число колебаний за 2 секунд. В системе СИ циклическая частота измеряется в с-1.
Период колебаний T — это время, за которое совершается одно полное колебание. В системе СИ период измеряется в секундах (с).
Связь периода, частоты и циклической частоты колебаний
Значение выражения (t + 0), стоящего под знаком косинуса или синуса в уравнении гармонических колебаний и определяющего при постоянной амплитуде состояние колебательной системы в данный момент времени, называется фазой колебаний. Фаза колебаний в системе СИ измеряется в радианах (рад).
Скорость колеблющейся точки
Максимальная скорость колеблющейся точки:
Ускорение колеблющейся точки
Максимальное ускорение колеблющейся точки
Сила, действующая на колеблющуюся материальную точку
Полная энергия материальной точки, совершающей гармонические колебания
Математическим маятником называется материальная точка, подвешенная на длинной, невесомой и нерастяжимой нити. При выведении из положения равновесия такая система совершает колебания под действием силы тяжести.
Период колебаний математического маятника равен
где l -длина математического маятника, g - ускорение свободного падения.
Период колебаний пружинного маятника:
где m - масса маятника, k - коэффициент упругости пружины.
Затухающими называются колебания, амплитуда которых уменьшается с течением времени.
Вынужденными называются колебания, которые происходят под влиянием внешних периодических воздействий. Вынужденные колебания происходят с частотой внешних периодических воздействий.
Автоколебания - это незатухающие колебания, существующие за счёт постоянного источника энергии, который периодически включается и выключается самой колебательной системой в нужные моменты времени для пополнения запаса энергии.
Резонанс - это явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний, когда частота внешних периодических воздействий совпадает с частотой собственных колебаний
колебательной системы.
Волна — это процесс распространения колебаний в материальной среде.
Фронт волны — это поверхность, которая отделяет область пространства, уже вовлечённую в волновой процесс, от области пространства, в которой колебания ещё не возникли.
Волновой поверхностью называется геометрическое место точек, колеблющихся в одинаковой фазе.
Волны называют поперечными, если колебания в них происходят перпендикулярно направлению распространения волны.
Волны называют продольными, если колебания в них происходят вдоль направления их распространения.
Поперечные волны распространяются только в твёрдых телах и вдоль границ раздела сред с различными физическими свойствами, например, на границе между водой и воздухом (на поверхности воды), т.к. за механизм их возникновения ответственна деформация сдвига, которая возможна только в твёрдых телах или на границе раздела сред, обладающей упруги- ми свойствами. Примером поперечных волн могут служить электромагнитные волны, волны на поверхности воды.
Продольные волны могут существовать в любых средах, т.к. за механизм их возникновения ответственна деформация растяжения-сжатия, которая может возникать в любых средах. Примером продольных волн могут служить звуковые волны в воздухе.
Расстояние, на которое распространяется волна за один период называется длиной волны. Или другое определение: кратчайшее расстояние между точками, колеблющимися в одинаковой фазе, называется длиной волны.
Волны, частота которых лежит в диапазоне от 16 Гц до 20 кГц, называются звуковыми или акустическими.
Скорость звука в воздухе порядка 340 м/с. Она изменяется в зависимости от температуры, плотности, влажности, атмосферного давления. Чем выше плотность среды, тем больше скорость звука. Например, в твёрдых телах она составляет тысячи м/с.
Громкость звука зависит от амплитуды колебаний частиц в волне. Чем больше амплитуда колебаний, тем выше громкость звука.
Высота тона зависит от частоты. Чем выше частота, тем выше тон.
Принцип суперпозиции волн: при распространении в среде нескольких волн каждая из них распространяется так, как будто другие волны отсутствуют, а результирующее смещение частиц среды в любой момент времени равно геометрической сумме смещений, которые получают частицы, участвуя в каждом из слагающих волновых процессов.
Когерентность - согласованное протекание во времени и пространстве нескольких колебательных или волновых процессов.
Когерентные волны — это волны одинаковой частоты, разность фаз которых в процессе распространения остается постоянной во времени.
Интерференция волн - сложение когерентных волн, при котором в разных точках пространства получается устойчивая картина усиления или ослабления амплитуды результирующей волны.
Условия интерференционных максимумов: разность хода волн равна чётному числу длин полуволн или целому числу длин волн.
где r - разность хода волн, - длина волны, k = 0,1,2,...
Условия интерференционных минимумов: разность хода волн равна нечётному числу длин полуволн.
где r - разность хода волн, - длина волны, k = 0,1,2,...
Разность фаз двух когерентных волн в данной точке
где r1 и r2 – расстояния точки от источников когерентных волн; r2-r1=r - разность хода волн.
Инфразвук - волны с частотами меньше 16 Гц.
Ультразвук - волны с частотами больше 20 кГц.
Интенсивность звука - величина, определяемая средней по времени энергией, переносимой звуковой волной за 1 с через площадку 1 м2, перпендикулярную направлению распространению волны.
Электромагнитное излучение — это электромагнитные волны, которые возникают при возмущении магнитного или электрического поля. Современная физика трактует этот процесс в рамках теории корпускулярно-волнового дуализма. То есть, минимальной̆ порцией̆ электромагнитного излучения является квант, но в тоже время оно имеет частотно-волновые свойства, определяющие его основные характеристики.
Спектр частот излучения электромагнитного поля, позволяет классифицировать его на следующие виды:
радиочастотное (к ним относятся радиоволны);
тепловое (инфракрасное);
оптическое (то есть, видимое глазом);
излучение в ультрафиолетовом спектре и жесткое (ионизированное).
Природа источников излучения
В зависимости от происхождения, источники излучения электромагнитных волн в мировой̆ практике принято классифицировать на два вида, а именно:
возмущения электромагнитного поля искусственного происхождения;
излучение, исходящее от естественных источников.
Излучения, исходящие от магнитного поля поле вокруг Земли, электрических процессов в атмосфере нашей̆ планеты, ядерного синтеза в недрах солнца — все они естественного происхождения.
Что касается искусственных источников, то они побочное явление, вызванное работой̆ различных электрических механизмов и приборов. Исходящее от них излучение, может быть низкоуровневым и высокоуровневым. От уровней̆ мощности источников полностью зависит степень напряженности излучения электромагнитного поля.
В качестве примера источников с высоким уровнем ЭМИ можно привести:
ЛЭП, как правило, высоковольтные;
все виды электротранспорта, а также сопутствующая ему инфраструктура;
теле- и радиовышки, а также станции передвижной̆ и мобильной̆ связи;
установки для преобразования напряжения электрической̆ сети (в частности, волны исходящие от трансформатора или распределяющей̆ подстанции);
лифты и другие виды подъемного оборудования, где используется электромеханическая силовая установка.
К типичным источникам, излучающим низкоуровневые излучения можно отнести следующее электрооборудование:
практически все устройства с ЭЛТ дисплеем (например: платёжный̆ терминал или компьютер); различные типы бытовой̆ техники, начиная от утюгов и заканчивая климатическими системами;
инженерные системы, обеспечивающие подачу электричества к различным объектам (подразумеваются не только кабель электропередач, а сопутствующее оборудование, например розетки и электросчетчики).
Оптические свойства материалов.
Световой̆ поток Φп, падающий̆ на некоторое тело, частично отражается (Φρ), поглощается (Φα) и, наконец, пропускается (Φτ) этим телом. Потоки Φρ, Φα, Φτ определяют коэффициенты:
1 отражения ρ= Φρ / Φп; 2 пропускания τ= Φτ / Φп; 3 поглощения α= Φα / Φп;
Для любого материала τ + ρ + α=1. Кроме этих коэффициентов материалы характеризуются еще кривыми рассеяния, дающими возможность судить о степени рассеяния отраженного или пропущенного ими светового потока. По характеру рассеяния светового потока материалы делятся на диффузно рассеивающие, направленно рассеивающие (матированные) и смешено рассеивающие (направленное+диффузное пропускание или отражение света).
Коэффициенты ρ, τ, α необходимо знать для правильного определения нормируемой̆ освещенности, расчета осветительных установок, а также для расчета яркости и светимости различных поверхностей.̆ Характер рассеяния света материалами необходимо знать для правильного выбора осветительных средств при проектировании искусственного освещения. Например, блестящие поверхности (направленное отражение) при «точечных» светильниках дают их изображение (блики), мешающие видимости объектов, расположенных на них. Блики могут быть устранены применением крупногабаритных светильников из рассеивающих материалов, светящих панелей̆ и потолков.
13. Интерференция, дифракция, поляризация и дисперсия оптических волн. Основные фотометрические характеристики света. Основы геометрической оптики. Законы распространения света. Взаимодействие света с веществом.
Закон распространения света.
Раздел физики, посвящённый̆ изучению природы света, законов его распространения и взаимодействия с веществом называется физической̆ оптикой̆.
Оптическое излучение представляет собой̆ единство двух процессов – волнового и квантового. Такие явления, как интерференция, дифракция и поляризация, могут быть объяснены волновой̆ природой̆ света, а фотоэффект (люминесценция, атомные и молекулярные спектры) – квантовой̆ теорией.̆
При распространении света происходит его усиление в одних точках пространства и ослабление в других в результате наложения двух или нескольких волн (интерференция), а также отклонение его от прямолинейного пути, когда на его пути встречаются препятствия соизмеримые с длиной̆ волны (дифракция).
Однако, многие оптические явления, в частности действие большого числа оптических приборов, можно рассматривать исходя из представления о световых лучах как направлениях распространения энергии, которые является нормалями к волновой̆ поверхности. Т.о. световой̆ луч, есть абстрактное математическое понятие, а геометрическая оптика является частным случаем физической̆ оптики.
14. Виды излучения, используемые при исследовании вещественных доказательств. Фотоэффект. Фотохимическое действие света.
Под действием света могут происходить самые разнообразные химические реакции. Первыӗ закон фотохимии, можно сформулировать так: фотохимическая реакция может быть вызвана только поглощенным молекулой̆ светом. Если поглощения не произошло, то химическая реакция невозможна. Этот закон носит название закона эквивалентности. Второй̆ закон фотохимии связан с именем А. Эин̆ штеин̆ а (его иногда называют законом Эин̆ штеин̆ а). Согласно этому закону, поглощение света не обязательно заканчивается фотохимической̆ реакцией,̆ однако если это происходит, то для химического изменения каждой̆ молекулы требуется только один фотон. Этот закон математически можно выразить формулой̆ n = ηN, где N — число поглощенных фотонов, п — число молекул
(атомов), претерпевших химическую реакцию, η - квантовый̆ выход (эффективность) фотохимической̆ реакции, величина различная в различных процессах.
Химические реакции, протекающие под влиянием света, носят название фотохимических реакции.̆ Примером фотохимической̆ реакции может служить разложение под влиянием света аммиака NH3 на азот и водород или бромистого серебра AgBr — на серебро и бром. Под влиянием света протекают также реакции образования более сложных молекул, например молекул НС1 из молекул водорода и хлора. Эта последняя реакция протекает настолько бурно, что сопровождается взрывом. Существуют также фотохимические процессы, сводящиеся к полимеризации вещества, т. е. к образованию многоатомных молекул из атомов исходного вещества. Большую роль играют фотохимические реакции в биологии, например, разложение углекислоты под действием света в зеленых частях растении,̆ что было впервые выяснено К. А. Тимирязевым. Фотохимические процессы подчиняются следующему количественному закону: масса фотохимически прореагировавшего вещества пропорциональна количеству поглощённой̆ световой̆ энергии. Если обозначить через W мощность поглощенного света и через t — время освещения, то закон запишется в виде m=kWt, где k — коэффициент пропорциональности, зависящий̆ от природы происходящей̆ фотохимической̆ реакции. Численно коэффициент k равен массе прореагировавшего вещества, приходящейся на единицу поглощенной̆ световой̆ энергии.
Фотохимический̆ процесс может сопровождаться вторичными реакциями, вызванными химической̆ активностью продуктов, возникающих в результате фотохимического превращения. Закон, сформулированный̆ нашей̆ последней̆ формулой,̆ относится лишь к первичному фотохимическому процессу.
Изучение первичных фотохимических процессов показало, что они протекают в соответствии с фотонной̆ природой̆ света: каждому поглощенному фотону hν соответствует превращение одной̆ молекулы. Этот закон был впервые проверен на фотохимической̆ реакции разложения бромистого водорода НВr под влиянием монохроматического света. Измерения показали, что на каждую порцию поглощенного света hν приходится разложение одной̆ молекулы. Таким образом, реакция протекает согласно уравнению: 2HBr + 2hν = Н2 + Br2. Так как на превращение одной̆ молекулы требуется некоторая минимальная работа А, то энергия фотона hν должна удовлетворять условию: hν ≥А, откуда вытекает существование длинноволновой̆ границы фотохимического процесса: если частота света ν =<ν0 = A/h то фотохимическая реакция не протекает. Для каждой̆ данной̆ фотохимической̆ реакции v0 имеет свое значение. Большинство фотохимических реакций протекает под влиянием лишь ультрафиолетовых лучей.̆ Последнее условие необходимо, чтобы фотохимическая реакция могла протекать, но оно еще не является достаточным: необходимо, чтобы свет данной̆ частоты поглощался молекулой.̆ Если вещество прозрачно для света данной̆ частоты, то этот свет не может вызывать химического превращения.
Опыт, однако, показывает, что в некоторых случаях, возможно осуществить фотохимическую реакцию и в области частот v, для которых вещество прозрачно, если прибавить второе вещество («сенсибилизатор»), поглощающее свет. Такого рода фотохимические реакции называются сенсибилизированными.
На фотохимическом процессе основана фотография. Как известно, современный̆ фотографический̆ процесс ведется с помощью светочувствительной̆ эмульсии, нанесённой̆ тонким слоем на стекло (фотопластинка) или целлулоидовую пленку (фотопленка). Эмульсия состоит из микроскопических кристаллов бромистого серебра, взвешенных в желатине. Первичный̆ фотохимический̆ процесс сводится к разложению под влиянием света бромистого серебра и выделению металлического серебра в виде отдельных очень мелких частичек. При длительном освещении число этих частичек может оказаться
настолько значительным, что эмульсия заметно потемнеет. При обычной̆ же длительности освещения число выделившихся частичек серебра невелико и они не дают заметного поглощения света. Поэтому под влиянием первичного фотохимического действия возникает лишь так называемое скрытое изображение. Фотопластинка, на которой̆ в результате действия света возникло скрытое изображение, подвергается вторичной̆ химической̆ обработке - проявлению. Под влиянием соответствующих химических реактивов (проявителя) вызывается восстановление металлического серебра, там. где имелись «затравки» из отдельных частиц серебра. В результате металлическое серебро выделяется преимущественно в тех местах, которые были подвергнуты действую света, и таким образом возникает негатив. Когда проявление закончено, остаток неразложенного бромистого серебра удаляется с помощью раствора гипосульфита (Na2Sa03).
Фотоэффект. Закон фотоэффекта.
Фотоэффект возникает при взаимодействии вещества с поглощаемым электромагнитным излучением.
Различают внешний̆ и внутренний̆ фотоэффект.
Внешним фотоэффектом называется явление вырывания электронов из вещества под деис̆твиемпадающегонанегосвета.
Внутренним фотоэффектом называется явление увеличения концентрации носителей заряда в веществе, а следовательно, и увеличения электропроводности вещества под деис̆ твием света. Частным случаем внутреннего фотоэффекта является вентильный фотоэффект — явление возникновения под деис̆ твием света электродвижущей силы в контакте двух различных полупроводников или полупроводника и металла.
Внешний фотоэффект был открыт в 1887 г. Г. Герцем, а исследован детально в 1888—1890 гг. А. Г. Столетовым.
Законы фотоэффекта
1. Число фотоэлектронов, вырываемых за 1 с с поверхности катода, пропорционально интенсивности света, падающего на это вещество.
2. Кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а зависит линейно от его частоты. 3. Красная граница фотоэффекта зависит только от рода вещества катода.
4. Фотоэффект практически безинерционен, так как с момента облучения металла светом до вылета электронов проходит время с.
15. Спектр белого света, основные и дополнительные цвета. Цвет и цветовое зрение. Причина появления окраски у органических соединений.
Разложение белого света на цвета называют дисперсией света.
Диспе́рсия свет́ а (разложение света) — это совокупность явлений, обусловленных зависимостью абсолютного показателя преломления вещества от частоты (или длины волны) света (частотная дисперсия), или, то же самое, зависимостью фазовой скорости света в веществе от частоты (или длины волны).
Существуют три основных цвета — красный, синий и желтый.
Обычно в противопоставление основным указывают дополнительные цвета, которые получены смешением первых между собой: оранжевый, зеленый, фиолетовый.
Цвет — качественная субъективная характеристика электромагнитного излучения оптического диапазона, определяемая на основании возникающего физиологического зрительного ощущения и зависящая от ряда физических, физиологических и психологических факторов.
Цветовое зрение, как способность к различению цветов, функционирует за счет трех разновидностей колбочек, которые находятся в сетчатке и выполняют роль независимых приемников. У каждого типа таких рецепторов имеется своя спектральная чувствительность. Одни воспринимают красный цвет, вторые – зеленый, третьи – синий.
16. Инфракрасные лучи и их использование в экспертизе. Исследование в ультрафиолетовых и рентгеновских лучах.
Инфракрас́ ное излуче́ние — электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны λ = 0,74 мкм) и микроволновым излучением (λ ~ 1—2 мм).
Применение в экспертизе: они имеют по сравнению с лучами видимой части спектра значительно большую проникающую способность - легко проникают сквозь туман, воздушную дымку, тонкие слои анилиновых красителей, бумаги, дерева, эбонита. В то же время такие вещества, как графит, сажа, копоть, соли металлов, сильно поглощают инфракрасные лучи. Они позволяют выявить тексты, покрытые анилиновыми чернилами, кровью или иными веществами, прозрачными для инфракрасных лучей, а также прочитать заклеенные бумагой тексты, стершиеся или выцветшие записи, выявить следы пороховой копоти на темных тканях, обнаружить приписки и иные видоизменения в документах. Нередко красители одинакового цвета различаются по степени поглощения ими инфракрасных лучей. . Штрихи, исполненные графитным карандашом или через копировальную бумагу, могут быть плохо видимыми из-за мешающего цветного фона бумаги. И в этом случае штрихи могут быть прочтены с помощью инфракрасных лучей, так как такие штрихи непрозрачны для инфракрасных лучей, а бумага может оказаться для них прозрачной.
Особо большую ценность приобретает исследование картин рентгеновскими лучами, если оно производится параллельно с исследованием в ультрафиолетовых лучах (люминесцентным методом), иногда и с помощью бинокулярной лупы. Такое комплексное исследование, обнаруживая то, что скрыто внутри картины и что не видно в обычном свете на ее поверхности, дает ценнейшие данные о материальной части картины, необходимые не только реставратору, но и искусствоведу, художнику и хранителю. Применение рентгеновских лучей для исследования картин основано на том, что лучи, проходя через картину, при благоприятных условиях дают изображение на флюоресцирующем экране или снимок на фотопленке
17. Использование лупы в исследовании вещественных доказательств. Расчет увеличения лупы при прямом наблюдении вблизи и вдали; при обратном наблюдении. Предельное увеличение для лупы.
Использование лупы в исследовании вещественных доказательств: при поисках волос рекомендуется пользоваться лупой. Осмотр следует проводить при ярком свете, осторожно обращаясь с обнаруженными объектами во избежание их повреждения или утери. Поиск брызг обязательно нужно осуществлять с помощью лупы при достаточном искусственном освещении, т.к. брызги могут иметь диаметр меньше типографской точки.
Расчет увеличения лупы при прямом наблюдении вблизи и вдали; где f - фокусное расстояние, L=25 см – ближняя точка глаза.
Или Видимым увеличением оптического прибора Г называется отношение тангенса угла зрения 2 при наблюдении предмета через прибор к тангенсу угла зрения 1 при наблюдении невооруженным глазом предмета, который должен быть расположен на расстоянии 25 см от глаза (при определении увеличения лупы и микроскопа) или на том же самом расстоянии, что при наблюдении через прибор (для зрительных труб):
при обратном наблюдении. Оно становится отрицательным.
Предельное увеличение для лупы. Для любого микроскопа и телескопа существует максимальное увеличение, за пределом которого изображение выглядит более крупным, но никаких новых деталей не выявляется. Это случается, когда мельчайшие детали, которые позволяет обнаружить разрешающая сила прибора совпадают по размерам с разрешающей способностью глаза. Дальнейшее увеличение иногда называется пустым увеличением.
18. Микроскопия как метод исследования вещественных доказательств. Принцип работы и устройство микроскопа. Объектив окуляр конденсор – их назначение и устройство. Правильное расстояние до окуляров. Виды микроскопов.
Микроскопия -- изучение объектов с использованием микроскопа, который в свою очередь позволяют получить увеличенных изображений, а также измерения объектов или деталей структуры, невидимых или плохо видимых невооружённым глазом.
Принцип работы микроскопа: Первый микроскоп был оптическим прибором, который позволял получить обратное изображение микрообъектов и разглядеть очень мелкие детали строения вещества, подлежавшего изучению. По своей схеме оптический микроскоп представляет собой устройство, сходное с конструкцией рефракторного телескопа, в котором идет преломление света в момент его прохождения через стекло.
Принцип устройства микроскопа: Микроскоп имеет две основные системы: механическую и оптическую. В первую входят подставка, коробка с рабочим механизмом, стойка, держатель тубуса, винты грубой и тонкой наводки, а также предметный столик. Оптическая система включает в себя объектив, окуляр и блок подсветки, куда входят конденсатор, светофильтр, зеркальце и элемент освещения.
Объектив – самая важная часть микроскопа, которая отвечает непосредственно за увеличение. Представляет собой набор линз, которые в своей совокупности и дают нужный эффект увеличения. Объективы делятся на "сухие" и "иммерсионные", ахроматические и апохроматические. Как правило у микроскопа есть несколько объективов, что дает возможность рассматривать разные объекты.
Окуляр — элемент оптической системы, обращённый к глазу наблюдателя, часть оптического прибора (видоискателя, дальномера, бинокля, микроскопа, телескопа) , предназначенная для рассматривания изображения, формируемого объективом или главным зеркалом прибора.
Конденсор — линзовая, зеркальная или зеркально-линзовая оптическая система, собирающая лучи от источника света и направляющая их на рассматриваемый или проецируемый предмет.
Виды микроскопов: оптические, электронные, сканирующие зондовые.
19. Числовая аппертура как характеристика объектива микроскопа. Максимальное значение числовой аппертуры для воздушной среды и для иммерсионного объектива с использованием иммерсионной жидкости. Типы иммерсионных объективов и виды используемых с ними иммерсионных жидкостей.
Числовая апертура (A) - она характеризует светособирающую и разрешающую способность микроскопа. Апертура равна произведению показателя преломления среды, находящейся между предметом и объективом, на синус апертурного угла.
Объектив/NA
Максимальное значение для воздушной среды NA = 1,0
Максимальное значение с использованием иммерсионной жидкости NA = 1,51 Существуют объективы водной иммерсии (маркированные белым кольцом),
масляной иммерсии (черное кольцо), глицериновой иммерсии (желтое кольцо), монобромнафталиновой иммерсии (красное кольцо). В световой микроскопии биологических препаратов применяются объективы водной и масляной иммерсии. Специальные кварцевые объективы глицериновой иммерсии пропускают коротковолновое ультрафиолетовое излучение и предназначены для ультрафиолетовой (не путать с люминесцентной) микроскопии (то есть для изучения биологических
объектов, избирательно поглощающих ультрафиолетовые лучи). Объективы монобромнафталиновой иммерсии в микроскопии биологических объектов не используются.
В качестве иммерсионной жидкости для объектива водной иммерсии используется дистиллированная вода, масляной иммерсии - природное (кедровое) или синтетическое масло с определенным показателем преломления.
В отличие от других иммерсионных жидкостей масляная иммерсия является
гомогенной, так как имеет показатель преломления равный или очень близкий показателю преломления стекла. Обычно этот показатель преломления (n) рассчитан для определенной спектральной линии и определенной температуры и указывается на флаконе с маслом.
20. Причина возникновения дифракционных колец при микроскопическом исследовании мелкодисперсных и ультрадисперсных вещественных доказательств. Расчет предельного разрешения микроскопа в зависимости от длины волны используемого света. Расчет диапазона полезного увеличения микроскопа.
Причина возникновения колец – ограниченная аппертура объектива.
Пределом разрешения микроскопа называется то наименьшее расстояние между двумя точками предмета, при котором они видимы в микроскопе раздельно. Это расстояние определяется по формуле:
где λ – длина волны света; n – показатель преломления среды между объективом и объектом; u – апертурный угол объектива, равный углу между крайними лучами конического светового пучка, входящего в объектив микроскопа.
Реально свет от предмета распространяется к объективу микроскопа в некотором конусе, который характеризуется угловой апертурой – углом u между крайними лучами конического светового пучка, входящего в оптическую систему. В предельном случае, согласно Аббе, крайними лучами конического светового пучка будут лучи, соответствующие центральному (нулевому) и 1-му главному максимумам
Величина 2nsin U называется числовой апертурой микроскопа. Числовая апертура может быть увеличена с помощью специальной жидкой среды – иммерсии – в пространстве между объективом и покровным стеклом микроскопа.
21. Особенности микромира и происходящих в них процессов. Понятие об электронном облаке и атомной обитали (АО).
ОСОБЕННОСТИ МИКРОМИРА.
Первой особенностью, о которой уже говорилось, является ограниченность средств наблюдения
за процессами, происходящими в микромире.
Ограниченность средств наблюдения приводит к другой важной особенности микромира — существованию тождественных частиц. В микромире не существует двух различающихся между собой атомов водорода или двух различных электронов.
Макроскопическое проявление движений микрочастиц может быть разнообразным. Это движение видимых частичек пыльцы в опыте по наблюдению броуновского движения Это показание амперметра при изучении явления фотоэффекта. Существуют другие разнообразные методы. Например, в переохлажденном паре быстро движущаяся частица может оставлять след в виде микроскопических капелек воды, подобно следу реактивного самолета.
В макромире ситуация совершенно иная. Мы не сможем найти две совершенно одинаковые сосны. Мы не сможем изготовить два совершенно одинаковых бильярдных шара.
Третья особенность микромира — корпускулярно-волновой дуализм. Эта особенность все в большей степени проявляется при углублении в микромир.
• Возможности исследования микромира существенно ограничены по сравнению с исследованием макромира.
• Все «одинаковые» объекты микромира тождественны, т. е. неразличимы между собой.
• Все объекты микромира обладают свойствами волн и частиц.
Процессы в микромире
Изменения теплового состояния тел — температурные изменения и переход тел из одного состояния в другое, например из твердого в жидкое, — оказались связанными, в основном, с изменениями движения молекул и их взаимного расположения. Химические превращения, наблюдаемые в микромире, связаны с изменениями атомного состава молекул.
Строение молекул или атомов, а также движения атомов, составляющих молекулы, и движения частиц, образующих атомы, проявляются в макромире в электрических, магнитных, оптических и других явлениях. Эта необычайная сложность микромира представила бы непреодолимые трудности для его познания, если бы не удалось разумно расчленить задачу. Оказывается возможным выделить более простые явления, обусловленные, например, молекулярными движениями, при изучении которых можно пренебречь более тонкими процессами микромира; далее следует перейти к изучению более тонких процессов и движений, связанных со структурой атомов и молекул, оставляя в стороне внутриядерные процессы, и т. д.
Таким образом, переходя от изучения более простых процессов и движений к более сложным, мы постепенно составляем себе все более детальную и глубокую картину микромира. Начнем с таких явлений, при которых можно не обращать внимания на внутреннюю структуру молекул, на движение составляющих молекулы атомов и на еще более гонкие внутриатомные и внутриядерные процессы и движения. Сюда относится обширная группа тепловых явлений, при которых молекулы можно рассматривать как неизменные малые тельца.
Электронное облако — это наглядная модель, отражающая распределение электронной плотности в атоме или молекуле.
Атомная орбиталь — одноэлектронная волновая функция в сферически симметричном электрическом поле атомного ядра, задающаяся главным n, орбитальным l и магнитным m квантовыми числами.
Название «орбиталь» (а не орбита) отражает геометрическое представление о стационарных состояниях электрона в атоме; такое особое название отражает тот факт, что состояния электрона в атоме описывается законами квантовой механики и отличается от классического движения по траектории. Совокупность атомных орбиталей с одинаковым значением главного квантового числа n составляют одну электронную оболочку.
22. Квантовые числа и формы атомных орбиталей. Принципы заполнения электронами многоэлектронных атомов (принцип наименьшей энергии, принцип Паули, правило Хунда). Спектральные характеристики атомов и молекул.
Главное квантовое число n. оно определяет энергию электрона и размеры электронных облаков. Энергия электрона главным образом зависит от расстояния электрона от ядра: чем ближе к ядру находится электрон, тем меньше его энергия. Поэтому можно сказать, что главное квантовое число n определяет расположение электрона на том или ином энергетическом уровне. Главное квантовое число имеет значения ряда целых чисел от 1 до ∞. При значении главного квантового числа, равного 1 (n = 1), электрон находится на первом энергетическом уровне, расположенном на минимально возможном расстоянии от ядра. Общая энергия такого электрона наименьшая.
Электрон, находящийся на наиболее удаленном от ядра энергетическом уровне, обладает максимальной энергий. Поэтому при переходе электрона с более удаленного энергетического уровня на более близкий выделяется энергия. Энергетические уровни обозначают прописными буквами согласно схеме:
Значение n .... 1 2 3 4 5 Обозначение K L M N Q
Принцип наименьшей энергии.
Электроны в атоме распределяются по орбиталям таким образом, что энергия атома оказывается наименьшей.
Принцип Паули определяет емкость АО: в атоме не может быть двух электронов с одинаковым набором всех четырех квантовых чисел.
Иными словами, на одной АО, характеризуемой тремя квантовыми числами, может разместиться только два электрона с противоположными спинами, т.е. для одной АО можно записать два возможных варианта её заполнения:
одним электроном ↑ и двумя электронами ↓↑ .
Согласно правилу Хунда, заселение орбиталей, относящихся к одному и тому же энергетическому подуровню, начинается одиночными электронами с параллельными (одинаковыми по знаку) спинами, и лишь после того, как одиночные электроны займут все орбитали, может происходить окончательное заселение орбиталей парами электронов с противоположными спинами. В результате суммарный спин (и сумма спиновых квантовых чисел) всех электронов в атоме будет максимальным.
Например, атом азота имеет три электрона, находящиеся на 2р-подуровне. Согласно правилу Хунда, они должны располагаться поодиночке на каждой из трех 2р-орбиталей. При этом все три электрона должны иметь параллельные спины:
Спектром называется последовательность квантов энергии электромагнитного излучения, поглощенных, выделившихся, рассеянных или отраженных веществом при переходах атомов и молекул из одних энергетических состояний в другие.
В зависимости от характера взаимодействия света с веществом спектры можно разделить на спектры поглощения (абсорбционные); испускания (эмиссионные); рассеяния и отражения.
По изучаемым объектам оптическая спектроскопия, т.е. спектроскопия в области длин волн 10-3÷10-8м подразделяется на атомную и молекулярную.
Атомный спектр представляет собой последовательность линий, положение которых определяется энергией перехода электронов с одних уровней на другие
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ СПЕКТРЫ - спектры поглощения, испускания или рассеяния, возникающие при квантовых переходах молекул из одного энергетич. состояния в другое. M. с. определяются составом молекулы, её структурой, характером хим. связи и взаимодействием с внеш. полями (и, следовательно, с окружающими её атомами и молекулами). Наиб. характерными получаются M. с. разреженных молекулярных газов, когда отсутствует уширение спектральных линий давлением: такой спектр состоит из узких линий с доп- леровской шириной.
23. Периодическая система – отражение периодического закона и естественная классификация элементов. Периодический закон Д.И. Менделеева. Основные характеристики атомов и периодичность их изменения. Понятие периодичности свойств веществ и ее виды.
1)Периодическая система химических элементов — естественная классификация химических
элементов, которая является графическим (табличным) выражением периодического закона
химических элементов. Структура ее, во многом сходная с современной, разработана Д. И.
Менделеевым на основе периодического закона в 1869-1871 гг. Она фиксирует закономерные
связи между химическими элементами и определяет место каждого из них в единой таблице.
В настоящее время периодическая система охватывает 117 элементов.
2) Периодический закон — фундаментальный закон природы, открытый Д. И. Менделеевым в
1869 году при сопоставлении свойств известных в то время химических элементов и их
величин атомных масс.
Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов, а потому и свойства
образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного
веса
3)Основные характеристики атомов химических элементов:
заряд ядра;
-число электронных слоёв;
-число электронов на внешнем уровне;
-радиус атома;
-высшая валентность в соединениях с кислородом;
-валентность в летучих водородных соединениях;
-способность отдавать электроны;
-способность принимать электроны.
Заряд ядра атома химического элемента равен порядковому номеру. Он последовательно
возрастает от одного элемента к другому.
Число электронных слоёв равно номеру периода, к которому относится химический элемент.
Другие свойства изменяются периодически.
Число внешних электронов одинаково у элементов одной A группы и совпадает с её номером.
В периоде увеличивается от 1 до 8.
Высшие валентности химических элементов в соединениях с кислородом, как правило,
совпадают с номером группы и в каждом периоде увеличиваются.
Валентности в соединениях с водородом (для неметаллов), наоборот, уменьшаются и равны
разности 8 – No группы.
Радиусы атомов в каждом периоде уменьшаются, а в группе увеличиваются.
Химические свойства атомов обусловлены их способностью отдавать электроны или их
принимать.
4)Периодичность - это повторяемость свойств химических и некоторых физических свойств у
простых веществ и их соединений при изменении порядкового номера элементов.
-Горизонтальная периодичность
-Вертикальная периодичность
-Диагональная периодичность
24. Основные понятия термодинамики. Термодинамическая система и ее виды, внутренняя энергия и работа системы.
Изотермический– при постоянной температуре. Изохорный– соответствует неизменному объему.
1)Термодинамика — раздел физики, изучающий наиболее общие свойства макроскопических
систем и способы передачи и превращения энергии в таких системах. В термодинамике
изучаются состояния и процессы, для описания которых можно ввести понятие температуры.
Осн. понятия:
Изобарный процесс– процесс, происходящий при постоянном давлении.
Функция состояния – некая функция, состоящая из нескольких независимых параметров,
которые однозначно определяют состояние термодинамической системы.
Стандартные состояния – условно принятые состояния веществ и компонентов растворов при
оценке термодинамических величин.В стандартных состояниях значения термодинамических
величин называют «стандартными» и обозначают нулем в верхнем индексе
2)ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА – любой объект природы, состоящий из достаточно
большого числа молекул (структурных единиц) и отделенный от других объектов природы
реальной или воображаемой границей. Объекты природы, не входящие в систему,
называются СРЕДОЙ.
Общие характеристики системы: Масса вещества mи внутренняя энергияЕ. Масса вещества
системы определяется совокупностью масс молекул, из которых она состоит. Внутренняя
энергия системы состоит изэнергии теплового движения молекулиэнергии взаимодействия
между ними.
Системы по характеру обмена веществом и энергией с окружающей средой подразделяют на
три типа:
Изолированные – те, которые не обмениваются с окружающей средой ни веществом, ни
энергией (Δm=0, ΔE=0);(термос)
Закрытые – не обмениваются с окружающей средой веществом, но обмениваются энергией.
(Δm=0, ΔE≠0); (воздушный шарик)
Открытые – обмениваются с окружающей средой и веществом, и энергией (Δm≠0, ΔE≠0);
пример открытой системы –живая клетка.
Состояние системы – совокупность свойств системы, позволяющих определить систему с точки
зрения термодинамики.Различают три состояния системы:
- равновесное(все свойства остаются постоянными в течении сколько угодно большого
промежутка времени, нет потоков вещества и энергии);
- стационарное(свойства системы постоянны во времени, но есть потоки вещества и энергии); - переходное состояние(свойства системы меняются во времени).
- Работа термодинамической системы - это взаимодействие системы с внешними объектами, в
результате чего изменяются параметры системы.
-Сумма кинетических энергий хаотического движения всех частиц тела относительно центра
масс тела (молекул, атомов) и потенциальных энергий их взаимодействия друг с другом
называется внутренней энергией.
25. Первый закон термодинамики и его приложение к различным процессам. Термодинамическая функция состояния системы – энтальпия. Тепловые эффекты процессов. Закон Гесса и его следствия. Энтальпии образования вещества.
При изохорном процессе объем не меняется и поэтому работа газа равна нулю. Изменение энергии согласно уравнению равно количеству переданной теплоты:
ΔU = Q.
Если газ нагревается, то Q > 0 и ΔU > 0, его внутренняя энергия увеличивается. При охлаждении газа Q < 0 и ΔU = U2 – U1 < 0, изменение внутренней энергии отрицательно и внутренняя энергия газа уменьшается.
Изотермический процесс. При изотермическом процессе (T = const) внутренняя энергия идеального газа не меняется. Согласно формуле все переданное системе количество теплоты идет на совершение работы:
Q = A'.
Если газ получает теплоту (Q > 0), то он совершает положительную работу A' > 0. Если, напротив, газ отдаст теплоту окружающей среде (термостату), то Q < 0 и A' < 0. Работа же внешних сил над газом в последнем случае положительна.
Изобарный процесс. При изобарном процессе согласно формуле передаваемое системе количество теплоты идет на изменение внутренней энергии системы и совершение работы при постоянном давлении.
Если газ нагревается (Q > 0), то он расширяется и совершает положительную работу (A' > 0). Одновременно увеличивается его внутренняя энергия (ΔU > 0).
При охлаждении (Q > 0) газ сжимается и внешние силы совершают над ним положительную работу (A > 0), его внутренняя энергия уменьшается (ΔU < 0).
Адиабатный процесс.
Теперь речь пойдет о процессе, протекающем в системе, не обменивающейся теплотой с
окружавшими телами. Процесс в теплоизолированной системе называют адиабатным.
При адиабатном процессе Q = 0 и согласно изменение внутренней энергии происходит только за счет совершении работы:
ΔU = A.
Конечно, нельзя окружить систему оболочкой, абсолютно не допускающей теплопередачи. Но в ряде случаев можно считать реальные процессы очень близкими к адиабатным. Для этого они должны протекать достаточно быстро, так, чтобы за время процесса не произошло заметного теплообмена между системой и окружающими телами.
Согласно уравнению при совершении над системой положительной работы, например при сжатии газа, внутренняя энергия его увеличивается. Это означает повышение температуры газа. Наоборот, при расширении сам газ совершает положительную работу (A' > 0) и внутренняя энергия его уменьшается – газ охлаждается.
Нагревание газа при быстром сжатии можно продемонстрировать с помощью прозрачного цилиндра с плотно пригнанным поршнем (рис. 46). Если положить на дно цилиндра смоченный эфиром кусочек ватки и быстро опустить поршень вниз, то пары эфира воспламенятся.
Энтальпия — это термодинамическое свойство вещества, которое указывает уровень энергии, сохраненной в его молекулярной структуре. Это значит, что, хоть вещество и может обладать энергией на основании температуры и давления, не всю ее можно преобразовать в теплоту. Часть внутренней энергии всегда остается в веществе и поддерживает его молекулярную структуру. Часть кинетической энергии вещества недоступна, когда его температура приближается к температуре окружающей среды. Следовательно, энтальпия — это количество энергии, которая доступна для преобразования в теплоту при определенной температуре и давлении.
Закон Гесса — основной закон термохимии, который формулируется следующим образом:
▪ Тепловой эффект химической реакции, проводимой в изобарно-изотермических или изохорно-изотермических условиях, зависит только от вида и состояния исходных веществ и продуктов реакции и не зависит от пути её протекания.
1. Тепловой эффект прямой реакции равен по величине и противоположен по знаку тепловому эффекту обратной реакции (закон Лавуазье – Лапласа).
2. Для двух реакций, имеющих одинаковые исходные, но разные конечные состояния, разность тепловых эффектов представляет собой тепловой эффект перехода из одного конечного состояния в другое.
С + О2 ––> СО + 1/2 О2 ΔН1 С + О2 ––> СО2 ΔН2
СО + 1/2 О2 ––> СО2 ΔН3
3. Для двух реакций, имеющих одинаковые конечные, но разные исходные состояния, разность тепловых эффектов представляет собой тепловой эффект перехода из одного исходного состояния в другое.
С(алмаз) + О2 ––> СО2 ΔН1 С(графит) + О2 ––> СО2 ΔН2 С(алмаз) ––> С(графит) ΔН3
4. Тепловой эффект химической реакции равен разности сумм теплот образования продуктов реакции и исходных веществ, умноженных на стехиометрические коэффициенты.
Стандартной энтальпией (теплотой) образования химического соединения называют изменение энтальпии в процессе образования одного моля этого соединения, находящегося в стандартном состоянии, из простых веществ, также находящихся в стандартных состояниях и термодинамически устойчивых при данной температуре фазах и модификациях (табл. IV. 1).
Таблица IV.1. Стандартные энтальпии образования некоторых простых веществ и соединений при 298,16 К
Стандартные энтальпии образования простых веществ принимают равными нулю, если их агрегатные состояния и модификации устойчивы при стандартных условиях. Так, например, нулю равны стандартные теплоты образования жидкого брома (а не газообразного) и графита (а не алмаза). Стандартная энтальпия образования соединения — мера его термодинамической устойчивости, прочности, количественное выражение энергетических свойств соединения. Эта термодинамическая функция характеризуется периодичностью и может быть ориентировочно оценена для какого-либо соединения так же, как и любое другое свойство. Н
26. Второй закон термодинамики. Объединенное уравнение первого и второго законов термодинамики. Понятие и свойства энтропии. Изменение энтропии как критерий равновесия и направленности процессов, протекающих в изолированных системах.
Второй закон термодинамики: В изолированной системе энтропия остаётся либо неизменной, либо возрастает (в неравновесных процессах), достигая максимума при установлении термодинамического равновесия
Где Q – количество теплоты, A – работа, U – внутренняя энергия Энтропия - степень неопределенности состояния системы.
Свойства энтропии:
1) Не отрицательность Н(х)>0
Энтропия будет равной нулю, если система детерминированная
2) H(x)<log|x| Равенство будет иметь место, когда сообщение системы равновероятно. Изменение энтропии:
27. Изменение энтропии в различных процессах. Третий закон термодинамики. Расчет стандартной энергии Гиббса реакции. Изменение энергии Гиббса как критерии равновесия и направленности процессов.
Изменение энтропии в различных процессах.
Третий закон термодинамики
Третье начало термодинамики или теорема Нернста утверждает, что энтропия любой
равновесной системы по мере приближения температуры к абсолютному нулю перестает
зависеть от каких-либо параметров состояния и стремится к определённому пределу.
Фактически содержание теоремы Нернста включает в себя два положения. Первое из них
постулирует существование предела энтропии при стремлении к абсолютному нулю.
Численное значение этого предела принято полагать равным нулю, поэтому в литературе
иногда говорят о том, что энтропия системы стремится к нулю при стремлении температуры к
0 К. Второе положение теоремы Нернста утверждает, что все процессы вблизи абсолютного
нуля, переводящие систему из одного равновесного состояния в другое, происходят без
изменения энтропии.
Нулевые значения температуры и энтропии при абсолютном нуле приняты как удобные
соглашения для устранения неоднозначности в построении шкалы для термодинамических
величин. Нулевое значение температуры служит реперной точкой для построения
термодинамической шкалы температур. Энтропия, обращающаяся в ноль при абсолютном
нуле температуры, называется абсолютной энтропией. В справочниках термодинамических
величин часто приводятся значения абсолютной энтропии при температуре 298,15 К, которые
соответствуют увеличению энтропии при нагреве вещества от 0 К до 298,15 К.
Энергия Гиббса
G – функция состояния системы, называемая энергией Гиббса. Энергия Гиббса равна: G = Н – ТS.
Абсолютное значение энергии Гиббса определить невозможно, однако можно вычислить изменение G в результате протекания процесса.
Критерий самопроизвольного протекания процесса: в системах, находящихся при Р, Т = const, самопроизвольно могут протекать только процессы, сопровождающиеся уменьшением энергии Гиббса
( G < 0). При достижении равновесия в системе G = 0.
Стандартная энергия Гиббса образования
Стандартная энергия Гиббса образования Gоf,298 (или Gообр,298) – это изменение энергии Гиббса в процессе образования данного вещества (обычно 1 моль), находящегося в стандартном состоянии, из простых веществ, также находящихся в стандартном состоянии, причем простые вещества пристутствуют в наиболее термодинамически устойчивых состояниях при данной температуре.
Для простых веществ, находящихся в термодинамически наиболее устойчивой форме, Gоf,298 = 0.
Изменение энергии Гиббса как критерии равновесия и направленности процессов.
В реальных процессах часто реализуется неполное равновесие, однако степень этой неполноты может быть существенной и несущественной. При этом возможны три варианта:
1. равновесие достигается в какой-либо части (или частях) относительно большой по размерам системы — локальное равновесие,
2. неполное равновесие достигается вследствие разности скоростей релаксационных процессов, протекающих в системе — частичное равновесие,
3. имеют место как локальное, так и частичное равновесие.
В неравновесных системах происходят изменения потоков материи или энергии, или, например, фаз.
Критерием направленности самопроизвольного процесса в этих случаях является знак изменения энергии Гиббса dG или энергии Гельмгольца dА в системе. Энергия Гиббса G = Н –ТS = U + рV –ТS.
В закрытой системе знак изменения энергии Гиббса является критерием направленности самопроизвольного процесса при проведении его в изобарно-изотермических условиях: - при dG = 0 (G=Gmin , энергия Гиббса имеет минимальное значение) система находится в состоянии термодинамического равновесия; - при dG < 0 (Ga Gmin , энергия Гиббса убывает) процесс самопроизвольно протекает в прямом направлении, т.е. термодинамически возможен; - при dG > 0 (Ga Gmin, энергия Гиббса возрастает) самопроизвольно протекает только обратный процесс, прямой процесс термодинамически невозможен.
28. Признаки и количественные характеристики химического равновесия. Константа равновесия. Влияние различных факторов на химическое равновесие. Принцип Ле Шателье-Брауна.
Термодинамическая устойчивость – постоянство во времени равновесного состава системы в отсутствие внешних воздействий (изменения температуры, давления или концентраций веществ, участвующих в образовании системы)
Подвижность – способность положения равновесия легко смещаться в ту или иную сторону при наличии внешних воздействий. В результате изменения условий система переходит из одного равновесного состояния в другое. После прекращения внешнего воздействия она вновь возвращается в исходное равновесное состояние
Возможность достижения системой равновесного состояния с различным исходным соотношением реагентов при подходе к нему с двух сторон – как со стороны реагентов (в результате самопроизвольного процесса), так и со стороны продуктов (в результате несамопроизвольного процесса). Следовательно, обе реакции – и прямая, и обратная – в зависимости от условий могут протекать самопроизвольно
Динамический характер – т.е. в состоянии равновесия процесс не останавливается, прямая и обратная реакции протекают с одинаковой скоростью; в результате концентрации всех веществ остаются постоянными во времени (не меняются), устанавливаются т.н. равновесные концентрации, а общая (результирующая) скорость всего процесса становится равной нулю
Влияние температуры. В каждой обратимой реакции одно из направлений отвечает экзотермическому процессу, а другое - эндотермическому.
N2 +3H2 2NH3 +Q
Прямая реакция - экзотермическая, а обратная реакция - эндотермическая. Влияние изменения температуры на положение химического равновесия подчиняется следующим правилам:
При повышении температуры химическое равновесие смещается в направлении эндотермической реакции, при понижении температуры - в направлении экзотермической реакции.
Влияние давления. Во всех реакциях с участием газообразных веществ, сопровождающихся изменением объема за счет изменения количества вещества при переоходе от исходных веществ к продуктам, на положение равновесия влияет давление в системе.
Влияние давления на положение равновесия подчиняется следующим правилам:
При повышении давления равновесие сдвигается в направлении образования веществ (исходных или продуктов) с меньшим объемом;
при понижении давления равновесие сдвигается в направлении образования веществ с большим объемом
Таким образом, при переходе от исходных веществ к продуктам объем газов уменьшился вдвое. Значит, при повышении давления равновесие смещается в сторону образования NH3, о чем свидетельствуют следующие данные для реакции синтеза аммиака при 400 0С:
давление, МПа
0,1
10
20
30
60
100
объемная доля NH3, %
0,4
26
36
46
66
80
Влияние концентрации. Влияние концентрации на состояние равновесия подчиняется следующим правилам:
При повышении концентрации одного из исходных веществ равновесие сдвигается в направлении образования продуктов реакции;
при повышении концентрации одного из продуктов реакции равновесие сдвигается в направлении образования исходных веществ.
29. Скорость химической реакции. Факторы, влияющие на скорость гомогенных и гетерогенных реакций.
Ско́рость хими́ческой реаќ ции — изменение количества одного из реагирующих веществ за
единицу времени в единице реакционного пространства. Является ключевым
понятием химической кинетики. Скорость химической реакции — величина всегда
положительная, поэтому, если она определяется по исходному веществу
(концентрация которого убывает в процессе реакции), то полученное значение умножается на
−1.
Все реакции делятся на гомогенные и гетерогенные.
Гомогенные реакции – реакции, в которых все реагирующие вещества находятся в одной фазе.
Гетерогенные реакции – реакции, в которых реагирующие вещества находятся в разных фазах.
Кинетические закономерности протекания гомогенных и гетерогенных реакций существенно различаются.
Факторы, влияющие на скорость реакций:
1) природа реагирующих веществ;
2) концентрация (давление влияет через изменение концентрации);
3) температура;
4) катализатор (изменение природы реагирующих веществ). Кинетика гомогенных химических реакций
Влияние концентрации на скорость реакций. Закон действия масс.
При постоянной температуре скорость химических реакций прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в некоторых степенях.
хА + уВ = рС
- кинетическое уравнение
К – константа скорости реакции. Это одна из трех фундаментальных характеристик реакции. Зависит от природы реагирующих веществ и температуры (не зависит от концентрации веществ).
m, n – частные порядки реакции по данным веществам.
m + n – порядок реакции. Порядок реакции – вторая фундаментальная кинетическая характеристика реакции. Зависит от природы реагирующих веществ. Только для элементарных реакций, идущих в одну стадию х и m, у и n – совпадают.
30. Закон действующих масс Гульдберга-Вааге. Физический смысл константы скорости. Порядок реакции. Правило Вант-Гоффа.
Закон действующих масс - скорость химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.
Для реакции типа А+В ® продукты реакции этот закон выражается уравнением:
v = k cA cB,
где v-скорость реакции; cA и cB - концентрации веществ А и В, моль/л;
k - коэффициент пропорциональности, называемый константой скорости
реакции. Физический смысл константы скорости реакции k следует из уравнения закона действующих масс: k численно равна скорости реакции, когда концентрации каждого из реагирующих веществ составляют 1 моль/л или их произведение равно единице. Константа скорости реакции зависит от температуры, от природы реагирующих веществ, но не зависит от их концентрации.
Порядок реакции:
Вант-Гофф считал, что скорость химической реакции – это
закономерное изменение концентрации реагирующих веществ в единицу времени. Но оно не всегда является равномерным. Правило Вант-Гоффа гласит, что при повышении температуры на каждые 10о скорость химической реакции увеличивается в 2-4 раза.
31. Понятие о почве как о гетерогенной, многокомпонентной системе, состоящей из твердой (минеральные и органические компоненты), жидкой (почвенный раствор) и газообразной (почвенный воздух) фаз.
Почва – сложное гетерогенное тело природы. В ее составе выделяют следующие фазы (части): 1 – твердая, 2 – жидкая, 3 – газовая. Соотношения их неодинаковые в различных почвах и в различных почвенных горизонтах одной и той же почвы.
Твердая фаза почвы включает минеральную и органическую части. Первая составляет 80– 95%, в торфяных почвах – 15–20 %. Источником минеральных веществ являются разнообразные горные породы; первичные и вторичные минералы; источником органических – остатки отмерших растительных и животных организмов, продукты их жизнедеятельности. Эта фаза почвы обеспечивает питание растений, определяет ее водные свойства – влагоемкость, водопроницаемость, поглотительную способность и другое.
Жидкая фаза (почвенный раствор). С ее помощью осуществляется перемещение веществ внутри почвы, она обеспечивает растения водой и растворимыми элементами питания. Примеси солей, кислот и щелочей изменяют реакцию почвенного раствора в кислую или щелочную сторону. В почве вода бывает в трех состояниях: парообразном (Н2О), жидком (Н2О)2, твердом (Н2О)3.
Газовая фаза (почвенный воздух) заполняет поры, не занятые водой. Количество и состав почвенного воздуха непостоянны и определяются множеством химических и биохимических процессов, протекающих в почве. Газовая фаза поставляет необходимый почвенной биоте кислород. Без воздуха в порах почвы корневая система не развивается, и растения отмирают. Чем ближе химический состав воздуха почвы к атмосферному, тем лучше условия для развития растений.
32. Анализ минерального и органического состава почвы. Кислотность почвы.
Почва — это сложная система, состоящая из минерального и органического компонентов. Она служит субстратом для развития растений.
Почва состоит из минеральных компонентов разного размера: камней, щебня и «мелкозема» (глина, ил и песок). Этот состав почвы сильно влияет на дренаж, содержание питательных веществ и температурный режим почвы, иными словами, структуру почвы с агрономической точки зрения.
Средне- и мелкоструктурные почвы, такие как глины, обычно более пригодны для роста растений, так как содержат достаточно питательных веществ и способны лучше удерживать воду с растворенными в ней солями.
Обычно с увеличением содержания камней в почве уменьшается ее способность удерживать воду. Органическое вещество, как правило, составляет лишь небольшую объемную долю почвы. Это главный источник таких элементов питания растений, как фосфор, азот и сера; оно способствует формированию почвенных агрегатов, т. е. мелкокомковатой структуры, особенно важной для тяжелых почв, поскольку в результате повышаются водопроницаемость и аэрация; оно служит пищей для микроорганизмов. Органическое вещество почвы подразделяют на детрит, или мертвое органическое вещество (MOB) и биоту.
Гумус (перегной) — это органический материал, образующийся при неполном разложении MOB. Значительная часть его существует не в свободном виде, а связана с неорганическими молекулами, прежде всего с глинистыми частицами почвы. Среди почвенных организмов особое место занимают дождевые черви. Перемещаясь между разными слоями почвы, черви постоянно
ее перемешивают. Кроме того, они оставляют ходы, облегчающие ее аэрацию и дренаж, улучшая тем самым ее структуру и связанные с ней свойства.
Кислотность почвы — способность почвы проявлять свойства кислот. Наличие ионов водорода (Н-ионов) в почвенном растворе, а также обменных ионов водорода и алюминия в почвенном поглощающем комплексе при неполной нейтрализации придаёт почве кислую реакцию. Повышенная кислотность почвы негативно сказывается на росте большинства культурных растений за счёт уменьшения доступности ряда макро- и микроэлементов, и наоборот, увеличения растворимости токсичных соединений марганца, алюминия, железа, бора и др.
Подкисление почвы — изменение кислотно-основных свойств почвы, вызванное природным почвообразовательным процессом, поступлением загрязняющих веществ, внесением физиологически кислых удобрений и другими видами антропогенного воздействия.
33. Антропогенные воздействия на почву. Загрязняющие вещества в почве. Загрязнение почвы пестицидами.
Антропогенное воздействие на почву. Основные виды антропогенного воздействия на почвы, следующие:
▪ эрозия;
▪ загрязнение;
▪ вторичное засоление и заболачивание; ▪ опустынивание;
▪ отчуждение земель для строительства.
Эрозия почв - разрушающее воздействие воды, ветра и антропогенных факторов на почву и подстилающие породы, снос наиболее плодородного верхнего слоя или размыв. 15% обрабатываемых земель подвержено интенсивной эрозии.
Загрязняющие вещ-ва:
▪ химические элементы и соединения (в особенности тяжелые металлы).
▪ нефть и нефтепродукты.
▪ пестициды.