1. Законизбереження маси і енергії в макроскопічних процесах
ЗАКОНЗБЕРЕЖЕННЯ ЕНЕРГІЇ
Розглянемосистему, що складається з N взаємодіють один з одним часток, що знаходяться підвпливом зовнішніх як консервативних, так і неконсервативних сил. Силивзаємодії між частинками передбачаються консервативними. Визначимороботу, чинену над частками при переміщенні системи з одного місця вінше, сопровождающимся зміною конфігурації системи.
Роботазовнішніх консервативних сил може бути представлена ​​як спад потенційноїенергії системи в зовнішньомусиловому полі:
де визначається формулою (9).
Роботавнутрішніх сил дорівнює убутку взаємної потенційної енергії частинок:
,
де - потенційна енергіясистеми у зовнішньому полі сил.
Роботунеконсервативних сил позначимо.
Згідноформулою (7) сумарна робота всіх сил витрачається на приріст кінетичноїенергії системи E k , яка дорівнює сумі кінетичних енергій частинок:
Отже,
.
Згрупуємочлени цього співвідношення наступним чином:
.
Сумакінетичної і потенційної енергій являє собою повну механічнуенергію системи E:
.
Такимчином, ми встановили, що робота неконсервативних сил дорівнює приросту повноїенергії системи:
(11)
З (11)випливає, що у випадку, коли неконсерватівние сили відсутні, повнамеханічна енергія системи залишається постійною:
.
Ми прийшли до закономзбереження механічної енергії , який свідчить, що повна механічнаенергія системи матеріальних точок, що знаходяться під дією тількиконсервативних сил, залишається постійною.
Якщо системазамкнута і сили взаємодії між частинками консервативні, то повна енергіямістить тільки два доданків: (- взаємна потенційнаенергія частинок). У цьому випадку закон збереження механічної енергіїполягає в твердженні, що повна механічна енергія замкнутої системиматеріальних точок, між якими діють лише консервативні сили,залишається постійною.
В основізакону збереження енергії лежить однорідність часу, тобто рівнозначність всіхмоментів часу, що полягає в тому, що заміна моменту часу t 1 моментом часу t 2 без зміни значенькоординат і швидкостей тіл не змінює механічних властивостей системи. Поведінкасистеми, починаючи з моменту t 2 , буде таким же, яким воно було б, починаючи змоменту t 1 .
Законзбереження енергії має загальний характер. Він застосовний до всіх без виняткупроцесам, що відбуваються в природі. Повна кількість енергії в ізольованійсистемі тіл і полів завжди залишається постійним; енергія лише може переходитиз однієї форми в іншу. Цей факт є проявом не унічтожаемостіматерії і її руху.
2.Самоорганізація хімічних систем і енергетика хімічних процесів
Здатністьдо взаємодії різних хімічних реагентів визначається не тільки їхатомарно-молекулярною структурою, але й умовами протікання хімічних реакцій.
Доумовами протікання хімічних процесів ставляться: термодинамічні фактори(Температура, тиск), наявність каталізаторів і інших добавок до реагентів,вплив розчинників, стінок реакторів і ін Зазначені умови можуть надавативплив на характер і результат хімічних реакцій при певнійструктурі молекул хімічних сполук. Найбільш активні в цьому відношеннісполуки змінного складу з ослабленими зв'язками між їх компонентами.Взяти, наприклад, реакцію синтезу з азоту і водню. Спочатку його не вдавалосяотримати ні за допомогою великого тиску, ні високої температури, і тількивикористання в якості каталізатора спеціально обробленого заліза впершепривело до успіху. У присутності металоорганічних каталізаторів синтезаміаку відбувається при звичайній температурі (18 В° С) і нормальномуатмосферному тиску. Це відкриває великі перспективи не тільки длявиробництва добрив, але в майбутньому такої зміни генної структури злаків(Жита, пшениці), коли вони не потребуватимуть азотних добривах.
Слідвідзначити, що виникнення й еволюція життя на Землі були б неможливі безіснування ферментів , службовців по суті справи живимикаталізаторами. Однак, вони функціонують тільки в рамках живої природи.Спроби перенести досвід живої природи на неорганічний світ наштовхуються насерйозні обмеження.
Тойфакт, що каталіз відігравав вирішальну роль у процесі переходу від хімічних системдо біологічних, тобто на предбіотичною стадії еволюції, в даний часпідтверджується багатьма даними й аргументами. Найбільш переконливі результатипов'язані з дослідами по самоорганізації хімічних систем, які спостерігали нашівчені Борис Павлович Білоусов і Олексій Михайлович Жаботинський. Їх працямибула відкрита коливальна хімічна реакція. Б.П. Бєлоусов зробивпростий експеримент. Він приготував розчин, що складається з лимонної кислоти (2,0м.), сірчаної кислоти (1:3) і 20 мл води. Розчин періодично міняв забарвлення:ставав то жовтим, то безбарвним. Вперше був відкритий В«хімічний маятникВ».Хоча на кілька років це відкриття було забуте, проте в 1970 р.А.М. Жаботинський повторив цей досвід і підтвердив відкриття В«хімічногомаятника В». Такі реакції супроводжуються утворенням специфічнихпросторових і часових структур за рахунок надходження нових і видаленнявикористаних хімічних реагентів. Однак на відміну від самоорганізаціївідкритих фізичних систем у зазначених хімічних реакціях важливого значеннянабувають каталітичні процеси. Роль цих процесів підсилюється в міруускладнення складу і структури хімічних систем.
ВНині відкрито більше 50 автоволнових хімічних і біологічнихреакцій, аналогічних реакції Бєлоусова - Жаботинського, частина з них - кольорові або флуоресцентні, що робить можливим безпосереднє спостереженняі використання як аналогових обчислювальних пристроїв. На цій підставідеякі вчені пов'язують хімічну еволюцію із самоорганізацією ісаморозвитком каталітичних систем. Однак, слід мати на увазі, що перехід донайпростішим формам життя можливий тільки при особливому диференціальному відборітаких хімічних елементів і їх сполук, які є основнимбудівельним матеріалом для утворення біологічних систем. У зв'язку з цимдостатньо відзначити, що з більш ніж ста хімічних елементів лише шість (С, О 2 ,Н 2 , S, СО, N), названих органогенами , служать основоюдля побудови живих систем.
Видатнимдосягненням хімії є відкриття ланцюгових реакцій ще до того, як у фізицібув виявлений радіоактивний розпад.
Сутьланцюгової реакції М.М. Семенов описує так: В«Енергії кванта достатньо длятого, щоб двоатомних молекула хлору розпалася на окремі атоми. Кожен зних активніше первісної молекули і тому легко вступає в реакцію змолекулою водню. Вона також двоатомних (мал.).
Схема ланцюгової хімічної реакції
Одинз атомів разом з атомом хлору дає молекулу продукту-хлористого водню, аінший атом водню залишається вільним. Тепер він легко вступає в реакцію знайближчій молекулою хлору, утворюючи другу молекулу хлористого водню іокремий атом хлору. Це повторюється багато-багато разів, виникає як би довгаланцюг реакцій. Теорія розгалужених ланцюгових реакцій дала початок новомунапрямку досліджень - хімічної фізики, дисципліні, проміжної міжфізикою і хімією.
4. Забрудненнянавколишнього середовища. Атмосфера, вода, грунт, їжа
Найбільшмасштабним і значним є хімічне забруднення середовища невластивимиїй речовинами хімічної природи. Серед них - газоподібні й аерозольнізабруднювачі промислово-побутового походження. Прогресує і накопиченнявуглекислого газу в атмосфері. Подальший розвиток цього процесу буде підсилюватинебажану тенденцію у бік підвищення середньорічної температури напланеті. Викликає тривогу в екологів і триваюче забруднення Світового океанунафтою і нафтопродуктами, що досягло вже 1/5 його загальної поверхні. Нафтовезабруднення таки...
