Билеты 16, 20, 23

Молекулярная физика и термодинамика

Тексты с описанием различных физических явлений или процессов, наблюдаемых в природе или в повседневной жизни

Билеты 16, 20, 23

1. Замечательное свойство многих кристаллов давать при дроблении осколки, подобные друг другу по форме, позволило французскому учёному Рене Гаюн высказать в конце ХIII века гипотезу, что все кристаллы состоят из плотно уложенных рядами маленьких, невидимых в микроскоп частиц, имеющих присущую данному веществу геометрическую форму. Например, кусок каменной соли при раскалывании разделился на части, ограниченные плоскими поверхностями, пересекающимися под прямыми углами.

Для наглядного представления внутренней структуры кристалла используют способ его изображения с помощью пространственной кристаллической решётки. Например, кристалл каменной соли имеет кубическую плотную упаковку. Гексагональную плотную упаковку имеют кристаллы цинка, магния, кадмия и др. Гранецентрированную кубическую кристаллическую решётку имеют кристаллы меди, алюминия, золота и пр.

Существуют формы кристаллов, не соответствующих принципам плотной упаковки. Так, если при выращивании кристаллов условия роста граней не одинаковы, то одни кристаллы вырастают в виде пластин (графит, слюда), другие в виде снежинки или ледяных узоров на стекле. Космические технологии с 1969 г. позволяют создать сверхпрочные нитевидные кристаллы графита, сапфира, «усы» из карбида кремния, которые могут быть использованы для создания новых материалов на основе каркасов из этих кристаллов.

2. Поверхность Земли неоднородна. На ней имеются холмы и долины, леса и степи, моря и горы, поэтому нагревание земной поверхности и прилегающего к ней слоя воздуха в различных местах оказывается неодинаковым. Воздух над участком поверхности Земли, имеющим повышенную температуру по сравнению с другими участками, в результате нагревания при постоянном давлении расширяется. Понижение плотности воздуха при расширении приводит к тому, что он «всплывает» вверх, а его место занимает более плотный и холодный воздух из соседних участков.

При подъёме и охлаждении воздуха, содержащего пары воды, на некоторой высоте водяной пар из ненасыщенного становится пересыщенным, происходит конденсация пара и возникают нижние слои облаков, состоящие из мелких водяных капель. Воздух с оставшимся в нём паром продолжает подниматься вверх. Если скорость подъёма воздуха высока, то он может увлечь за собой и образовавшиеся водяные капли. Достигнув слоёв атмосферы, имеющих температуру ниже 0 ⁰C, эти водяные капли будут охлаждаться всё сильнее и вскоре замёрзнут. На них начнут осаждаться и замерзать другие водяные капли. В результате этого образуются хорошо знакомые каждому из нас ледяные шарики – градины.

Водяной пар при охлаждении конденсируется отнюдь не всегда. При определённых условиях он может сразу превратиться в ледяные кристаллики – снежинки. По мере роста облаков размеры и масса водяных капель, градин или снежинок увеличиваются. Сила тяжести заставляет их падать, но восходящий от земли поток тёплого воздуха препятствует этому движению. В конце концов, наступает момент, когда эти частицы становятся столь крупными и тяжёлыми, что восходящий поток воздуха уже не может удержать их. Тогда идёт дождь, или град, или снег.

3. В летнее время могут идти только дождь или град. В облаках могут присутствовать одновременно и снежинки, и градины. Но снежинки имеют значительно меньшую массу, чем градины, и, проходя через тёплые нижние слои воздуха, снежинки успевают растаять.

Зимой у поверхности земли температура воздуха, как правило, ниже 0⁰C. Поэтому снежинки, выпадающие из облаков, не тают, опускаясь на землю, а, наоборот, увеличиваются в размерах. Рост снежинок происходит в то время, когда они проходят через слои воздуха, температура которых ниже, чем температура снежинок. Пар, соприкасаясь с холодными снежинками, конденсируется, а образовавшаяся в результате этого процесса вода, осаждаясь на снежинках, замерзает, что содействует их росту.

Форма снежинок может быть весьма разнообразной. Она зависит от температуры воздуха и количества водяного пара в нём. При температурах, близких к 0⁰C, чаще всего выпадают сильно разветвлённые звёздочки, а при более низких температурах – мелкие пластинки, призмы и иглы. При температуре, близкой к 0⁰C, воздух часто бывает перенасыщен водяным паром. В таких условиях снежинки растут быстро и неравномерно; на их углах образуются рожки, которые затем начинают ветвиться, придавая снежинке форму звёздочки. При очень сильных морозах снежинки почти не растут, и тогда мы видим искрящиеся на солнце простейшие кристаллы – «алмазную пыль».

Размеры кристаллов, из которых состоят снежинки, составляют доли миллиметра. При падении на поверхность земли кристаллы могут слипаться в снежные хлопья размером до 1 см. В отдельных случаях возникают и более крупные хлопья. Так, например, 4 декабря 1892 года в Саксонии падали хлопья снега, размеры которых достигали 12 см. При ветре хрупкие снежинки обламываются, крошатся и на землю падают мелкие обломки ледяных кристаллов.

4. Три четверти поверхности Земли занимает вода. Около 1/5 суши покрыто твёрдой водой (льдом и снегом), большая её часть всегда закрыта облаками, которые состоят из водяных паров и мельчайших капелек воды, а там, где никаких облаков нет, в воздухе всегда есть водяные пары.

Вода в природе совершает непрерывный круговорот. Испаряясь с поверхности рек, озёр и морей, с влажной почвы, с травы, с листьев деревьев, она поднимается вверх в виде водяного пара, сгущается в облака, а затем выпадает на земную поверхность, стекает в реки и озёра и т. д. и снова испаряется. Этот никогда не прекращающийся процесс в зависимости от условий может протекать по-разному: иногда на землю выпадает дождь, иногда град, иногда снег.

Даже тело человека на 71% состоит из воды. Вода создала климат Земли. Теплоёмкость её необычайно высока. Нагреваясь, она поглощает очень много тепла, зато, остывая, возвращает его обратно. При охлаждении почти все вещества сжимаются, но только вода расширяется. Если бы она сжималась, лёд был бы тяжелее воды и тонул. Постепенно вся вода превратилась бы в лёд, и атмосфера Земли лишилась бы водяных паров.

Только испаряя воду, (то есть, отдавая большое количество тепла), животным и человеку удаётся сохранять температуру своего тела значительно ниже температуры окружающего воздуха. Химические реакции в каждой клеточке тела любого животного или растения протекают между растворёнными веществами.

5. Одно из удивительных свойств воды – способность образовывать чрезвычайно прочную поверхностную плёнку. С этой плёнкой связана жизнь водомерок, водяных жучков, личинок комаров, улиток. Чем чище вода, тем больше нужно усилий, чтобы разорвать её поверхностную плёнку. Молекулы растворённых в воде веществ (в первую очередь, газов), вклиниваясь между молекулами воды, делают её менее прочной. Очищенная вода, конечно не полностью (какое-то количество молекул посторонних примесей в ней всегда остаётся), обладает удивительной прочностью. Чтобы разорвать столбик диаметром 2,5 см, нужно приложить силу около 900 кг. Примерно такова прочность некоторых сортов стали. Однако, и это – не предел. Учёные подсчитали, что для разрыва подобного столбика абсолютно чистой воды, нужна сила, равная 95 тоннам! Если бы на Земле существовало озеро чистой воды, по его поверхности можно было бы ходить и даже скользить на коньках, как по настоящему крепкому льду.

6. Очень хорошо устроилась удивительная колючая ящерица молох, жительница жарких безводных пустынь Австралии. Всё её тело покрыто острыми выростами и шипами. Это страшилище известно давно, но долгое время учёные полагали, что колючки служат лишь для защиты от врагов. Теперь выяснилось, что роговой слой кожи молоха пронизан бесчисленными порами, которые открываются наружу в бороздках между колючками.

Если на кожу ящерицы капнуть воды, она тотчас же впитается в поры, но не сможет проникнуть внутрь тела. Поры расположены так, что у воды остаётся единственный путь – двигаться внутри кожи в сторону головы. Здесь система капиллярных пор заканчивается в небольших пористых подушечках, куда собирается вода. Подушечек две. Они расположены в уголках рта молоха. Если в подушечках есть вода, молоху стоит только подвигать челюстями, и из каждой подушечки прямо в рот выдавится по капле влаги. К тому же, колючки молоха значительно холоднее кожи, и по ночам осевшие капельки росы тотчас же впитываются. Молох получает воду прямо из воздуха!

7. «Будем ли мы говорить о питании корня за счёт веществ, находящихся в почве, будем ли мы говорить о воздушном питании листьев за счёт атмосферы или питании одного органа за счёт другого, соседнего, - везде для объяснения мы будем прибегать к тем же причинам: диффузия». Эти слова принадлежат великому русскому учёному К.А.Тимирязеву.

Действительно, в растительном мире очень велика роль диффузии. Для деревьев, например, наблюдается особенно большое развитие поверхности (листовая крона), так как диффузионный обмен сквозь поверхность листьев выполняет функцию не только дыхания, но частично и питания.

Большую роль играют диффузионные процессы в снабжении кислородом природных водоёмов и аквариумов. Кислород попадает в более глубокие слои воды в стоячих водах за счёт диффузии через их свободную поверхность. Поэтому вредны листья, покрывающие поверхность воды, так как может прекратиться доступ кислорода к воде, что плохо отразится на жизни её обитателей. По этой же причине непригодны для использования в качестве аквариума сосуды с узким горлом.

Основную роль для диффузионных процессов в живых организмах играют мембраны, находящиеся на поверхности клеток, клеточных ядер и вакуолей и обладающие избирательной проницаемостью. Прохождение вещества через мембрану зависит от размеров молекул, от электрического заряда (если таковой имеется) диффундирующей частицы, от присутствия и числа молекул воды, связанных поверхностью этих частиц, от растворимости этих частиц в жирах, от структуры мембраны.

8. Различают две формы диффузии – это диализ и осмос. Диализом называется диффузия молекул растворённого вещества, а осмосом – диффузия растворителя через полупроницаемую мембрану. Диализ часто применяют при получении чистых препаратов белков и других высокомолекулярных соединений. Если заполнить раствором соли мешочек из целлофана и поместить его в сосуд с водой, то молекулы растворённого вещества будут диффундировать через достаточно большие поры мембраны в сосуд с водой. Если взять мешочек с мелкими порами, то молекулы соли могут не пройти через него, а пройдут только молекулы растворителя (например, воды). В растение вода из почвы попадает путём осмоса через полупрозрачные мембраны корневых волосков. Так как концентрация воды в почве выше, чем внутри корневых волосков, то происходит диффузия из зоны с большей концентрацией в зону с меньшей, возникает ток сока по корням и стеблю. В некоторых случаях имеет место перенос в сторону с меньшей концентрацией, сопровождающийся расходом энергии. Осмотическое давление в клетках растений достигает примерно 5∙10⁵ – 10∙10⁵ Па. Осмотическое давление крови человека в основном создаётся содержащимися в плазме крови растворами неорганических солей и составляет около 8∙10⁵ Па.

9. Тургорное давление – давление, оказываемое содержимым клетки на клеточную стенку. У всех не деревянистых растений тургорное давление имеет большое значение для сохранения формы растительного организма. В молодых клетках тургорное давление является движущей силой растяжения клеточных стенок и обеспечивает возможности роста клетки.

В отдельных случаях это давление сильно возрастает. Этим и объясняется то «чудо», когда нежные стебельки растений взламывают асфальт, пробиваясь к свету. Благодаря тургору растения сохраняют упругость. Особенно ярко это проявляется у таких растений, ткани которых обогащены водой: у кактуса, алоэ, агавы. Важную роль играет тургор в формообразовании при отсутствии арматурной ткани организма, как, например, у помидоров, гусениц, медуз.

Принцип тургора живых моделей привёл к появлению в архитектуре новой области строительной техники – к созданию пневматических напряжённых конструкций. Они вполне соответствуют природным формам: форме фруктов, воздушных пузырей, кровеносных сосудов, листьев растений и т.д. Избыточное давление жидкости или газа обеспечивает гибкой герметичной оболочке устойчивость при любых нагрузках. Эти надувные системы экономичны, имеют малую массу, компактны, транспортабельны, могут быть легко смонтированы. Поэтому принцип тургора получил широкое применение, особенно при сооружении временных построек, выставочных павильонов, спортзалов, туристских лагерей, овощехранилищ и т.д. Принцип тургора допускает огромное разнообразие пневматических форм и конструкций.

10. На протяжении большей части истории живой природы органический мир был представлен исключительно водными формами организмов.
С выходом на сушу они не утратили зависимости от воды. Вода является составной частью тела живых существ. Для нормального существования многих животных и растений необходима относительная влажность 100%. Нормальным для жизни человека считается воздух с относительной влажностью от 40 до 60%. Когда окружающая среда имеет температуру более высокую, чем тело человека, то происходит усиленное испарение (потоотделение), которое ведёт к охлаждению организма, помогает работать в условиях высокой температуры. Испарение – наиболее легко регулируемый способ уменьшения внутренней энергии.

Интересны с точки зрения терморегуляции и роли процессов испарения некоторые живые существа. Известно, например, что верблюд может не пить две недели, почти не потеет в сорокаградусную жару: шерсть спасает от перегрева и препятствует испарению влаги. Ещё более удивительны американские тушканчиковые прыгуны (кенгуровые крысы). Они живут в пустыне Аризона и грызут семена и сухие травы. Почти вся вода, которая имеется в их теле, эндогенная, то есть получается в клетках при переваривании пищи. Опыты показали, что из перловой крупы массой 100 грамм, которой кормили кенгуровых крыс, они получали, переварив и окислив её, воду массой 54 грамма!

Для компенсации потери воды за счёт испарения многие животные всасывают её через покровы тела в жидком или парообразном состоянии (амфибии, насекомые, клещи).

В теплорегуляции птиц большую роль играют воздушные мешки, с поверхности которых в жаркое время испаряется влага.

Чтобы представить масштабы испарения воды растениями, приведём такой пример: за вегетационный период одно растение подсолнечника или кукурузы испаряет воду массой около 200 килограмм! При таком энергичном расходовании требуется не менее энергичное добывание воды корневой системой, имеющей по подсчётам учёных около 15 миллиардов корневых волосков общей площадью 400 м².

11. Учёный Р. Майер первым сформулировал закон сохранения и превращения энергии с позиций врача-естествоиспытателя. Осмысливая свои наблюдения на основе принципа, что «ничего не происходит из ничего и ничто не превращается в ничто и что причина равна действию», уже в 1841 г. Майер высказал основную идею закона сохранения и превращения энергии.

Ряд его исследований посвящён выявлению энергетических процессов у растений и животных. Майер считал, что источником механических и тепловых эффектов в живом организме служат химические процессы, протекающие в нём в результате поглощения кислорода и пищи.

Он первым вполне определённо высказал мнение, что между жизнедеятельностью растений и солнечным светом должна существовать количественная связь, то есть применил идею закона сохранения энергии к процессу фотосинтеза (созданию органических веществ-углеводов из углекислого газа и воды при участии солнечного излучения). В живых клетках, например, в нервных клетках, в головном мозге происходит превращение химической энергии в электрическую; во внутреннем ухе – звуковой в электрическую; в сетчатке глаза – световой в электрическую; в органах вкуса и обоняния – химической в электрическую.

Интересно сделать расчёты энергетических превращений в живом организме и определить коэффициенты полезного действия некоторых биологических процессов.

Известно, что работа может совершаться или за счёт изменения внутренней энергии системы, или за счёт сообщения системе некоторого количества теплоты. В живой системе независимо от того, целый это организм или отдельные органы (например, мышцы), работа не может совершаться за счёт притока теплоты извне, то есть живой организм не может работать как тепловая машина. Если бы мышца работала как тепловая машина, она нагрелась бы до температуры 174^о C при начальной температуре 25^оC и КПД 30%. Это нереально, так как белки денатурируют при температуре около 50^оC. Таким образом, в живом организме работа совершается за счёт изменения внутренней энергии системы. КПД работы, совершаемой живым организмом за счёт изменения внутренней энергии, достигает при сокращении мышц 30%, фотосинтезе – 75%, при свечении бактерий – 90%.

12. Существует мнение, что именно благодаря появлению во Вселенной атомов и молекул могли возникнуть на Земле (а возможно, и далеко за пределами Солнечной системы) Жизнь и Разум.

В основном, доминирует во Вселенной плазма, но имеется и вещество, состоящее из нейтральных атомов и молекул разной сложности, которое служит основой всего, что есть на Земле, а также планет и их спутников, астероидов и комет. Кроме того, нейтральные атомы находятся в межзвёздной среде (например, атомы водорода, излучение которого помогает исследовать спиральную структуру Галактики). Радиоастрономическими методами удалось обнаружить в межзвёздной среде и молекулы (в том числе и достаточно сложные). Наконец, нейтральные атомы и даже простые молекулы есть на Солнце (например, в солнечных пятнах) и на других звёздах.

Теория звёздных атмосфер, теория внутреннего строения звёзд и планет включает и термодинамику, которая в основном сформировалась в XIX веке задолго до появления современных знаний.

Наблюдаемая на Солнце грануляция – это проявление грандиозной подфотосферной конвекции. Но, как известно, конвекция не единственный способ передачи энергии из недр Солнца: важнейшую роль играет лучеиспускание. Рождённое в ядре Солнца излучение медленно «просачивается» сквозь толщу непрозрачного солнечного вещества и примерно через миллион лет добирается до конвективной зоны. Оттуда конвективные потоки устремляются к фотосфере со скоростью нескольких десятков метров в секунду.

13. Одна из замечательных особенностей термодинамики Солнца связана с тем, что наше светило и другие стационарные звёзды представляют собой саморегулирующиеся «тепловые машины», поддерживающие светимость практически на постоянном уровне. Если в недрах звезды выделяется дополнительная энергия, звезда расширяется и переходит в состояние нового механического равновесия. На это затрачивается не только вся упомянутая дополнительная энергия, но и часть «неприкосновенных» запасов энергии самой звезды. В результате звезда охлаждается, механизм генерации её энергии начинает работать в прежнем темпе, что снова возвращает звезду к исходному состоянию теплового и механического равновесия.

В таком процессе не последнюю роль играет и гравитация: при сжатии звезды гравитационная энергия превращается в тепловую, при нагреве звезды и её расширении избыток тепловой энергии запасается в виде потенциальной энергии гравитации.

Модель стационарной звезды была предложена английским астрофизиком А. Эддингтоном в начале 20–х годов прошлого века. Этому учёному приписывают слова «нет ничего проще звезды». Действительно, зная лишь массу, радиус и светимость звезды и учитывая физические условия на её поверхности, астрофизики создают модель внутреннего строения звезды, показывающую распределение внутри неё плотности, давления, температуры и химического состава. При этом применяются законы всемирного тяготения и необходимые термодинамические соотношения. Теория привела к установлению хорошо известной сейчас зависимости «масса – светимость», являющейся фундаментальной закономерностью в мире звёзд (по крайней мере, для звёзд главной последовательности).