Главная | Обратная связь

ПРИМЕРЫ ТЕСТОВЫХ ЗАДАНИЙ

 

Задание 21.1. (установите соответствие между формулировками второго начала термодинамики и свойствами энтропии).

1.Энтропия — мера вероятности макроскопического состояния системы.

2. Энтропия изолированной системы с течением времени может только возрастать или оставаться постоянной.

3. Энтропия системы — мера отсутствия детального знания о ней.

В а р и а н т ы ответа:

А. При получении системой тепловой энергии ее энтропия возрастает.

Б.Доступная об изолированной системе информация с течением времени убывает.

В.Теплота самопроизвольно передается от горячего тела к холодному, но не наоборот.

Г. С течением времени изолированная система самопроизвольно переходит из менее вероятного в более вероятное состояние.

Обоснование ответа. Следует сразу отметить, что из четырех вариантов ответа только три представляют собой формулировки второго начала термодинамики — это варианты Б, В, Г. Справедливость варианта А завистит от того, как изменяется температура системы. Вариант ответа Б связан с иформационным свойством энтропии. Вариант В (одна из наиболее известных формулировок второго начала термодинамики) на языке энтропии означает ее возрастание или, по крайней мере, неубывание. Наконец, вариант Г отвечает вероятностной трактовке понятия энтропии.

Правильным является соответствие: 1 — Г; 2 — В; 3 — Б.

Задание 21.2 (выберите несколько вариантов ответа).

Не прибегая к вычислениям, укажите, в каких процессах энтропия возрастает:

Вар и а н т ы ответа:

1. СаС0_3(к) → СаО_(к) + С0_2(г). 2. Н₂0_(лед) →Н₂0_(ж).

3.Н₂0_(пар) → Н₂0_(ж). 4. N_2(r) + ЗН_(Г) → 2NH_3(r).

Обоснование ответа. Правильно выбрать ответ в этом задании поможет термодинамическое свойство систем, которое формулируется в форме второ­го начала термодинамики: энтропия изолированных систем либо увеличи­вается, либо остается постоянной. Но энтропия — это мера упорядоченности системы, поэтому следует проанализировать, как в приведенных химиче­ских реакциях изменяется упорядоченность системы. В первой реакции про­исходит разложение СаС0_3(к) → СаО_(к) + С0_2(г), которое можно трактовать как переход более упорядоченной системы СаС0₃ (кристалл) в менее упорядочен­ную систему СаО (кристалл) и С0₂ (газ). Энтропия в этой реакции явно воз­растает. Во второй реакции Н₂0_(лед) → Н₂0_(ж) тоже происходит возрастание энтропии, так как упорядоченность твердого состояния (лед) больше (а эн­тропия, следовательно, меньше), чем у жидкого состояния. В третьей реак­ции, наоборот, энтропия убывает, так как жидкое состояние более упорядо­чено, чем газообразное. В четвертой реакции уменьшение энтропии проис­ходит за счет уменьшения количества газообразных веществ, что видно по коэффициентам в уравнении.

Правильными являются варианты ответов: 1) СаС0_3(к) → СаО_(к) 4+ С0_2(Г); 2) Н₂0_(лед) → Н₂0_(ж).

Задание 21.3 (выберите несколько вариантов ответа).

Не прибегая к вычислениям, укажите, в каких процессах энтропия умень­шается:

Варианты ответа:

1.2NO_(r) + 0_2(г) → 2N0_2(r). 2. MgO_(K) + С0_2(Г) → MgC0_3(K).

3.С0_2(К) → С0_2(г). 4. 2Н₂0_(Г)→ 2Н_2(г) + 0_2(г).

Обоснование ответа. Ход рассуждений в этом задании такой же, как и в предыдущем. В первой реакции уменьшение энтропии происходит за счет уменьшения количества газообразных веществ, что видно по коэффициен­там в уравнении. Согласно аналогичному рассуждению, энтропия четвертой реакции возрастает. Во второй реакции MgO_(K) + С0_2(г) → MgC0_3(K) тоже про­исходит уменьшение энтропии, так как упорядоченность твердого состоя­ния больше (а энтропия, следовательно, меньше), чем у газообразного со­стояния. В третьей реакции, наоборот, энтропия возрастает, так как кри­сталлическое состояние более упорядочено, чем газообразное.

Правильными являются варианты ответов: 1) 2NO_(r) + 0_2(г) → 2N0_2(r); 2) MgO_(K) + С0₂(_Г) → MgC0_3(K).

 

Задание 21.4 (выберите один вариант ответа).

Энтропия может служить мерой ...

Варианты ответа:

1.Некачественности энергии системы.

2.Количества движения в системе.

3.Количества теплоты в системе.

4.Замкнутости системы.

Обоснование ответа. Когда говорят о «качестве» тепловой энергии, имеют в виду возможность ее превращения в полезную механическую работу. Из термодинамики известно, что если имеется нагреватель с температурой Т_н и эдильник с температурой Т_х, то с помощью идеальной тепловой машины можно преобразовать в полезную работу не все тепло нагревателя, а только его часть, равную ג = Q_н(l – Т_х/T _н). Другими словами, отбирая от нагревателя Q_н тепла, мы должны вернуть холодильнику количество тепла Q_x = Q_HT_X/ T_X(Q_H/T_H) = T_XS_H, где S_H — энтропия нагревателя. Чем больше энтропия нагревателя, тем больший «налог» (при одной и той же температуре холодильника) взимается за превращение тепла в полезную работу. Энтропия обратно пропорциональна температуре нагревателя, поэтому чем выше температура нагревателя, тем большую часть тепловой энергии нагревателя можно перевести в полезную работу. Можно сказать, что чем выше температура нагревателя, чем меньше его энтропия, тем качественнее тепловая энергия, запасенная в нагревателе. Остальные варианты ответа не связаны с температурой и, следовательно, со специфическим свойством энтропии. Правильным является вариант ответа: 1) некачественности энергии системы.

 

 

Задание 21.5 (выберите один вариант ответа).

Энтропия не может служить ...

Варианты ответа:

1.Мерой количества теплоты в системе.

2.Мерой беспорядка и бесструктурности.

3.Индикатором направления времени.

4.Мерой некачественности энергии системы.

Обоснование ответа. Из предложенных вариантов ответа три связаны со специфическими свойствами энтропии: она действительно может служить мерой беспорядка и бесструктурности, индикатором направления времени (закон возрастания энтропии в изолированной системе), мерой некачественности энергии системы (см. предыдущее задание). А вот с количеством тепла в системе энтропия никак не связана!

Правильным является вариант ответа: 1) мерой количества тепла в си­стеме.

 

Задание 21.6 (установите соответствие между формулировкой условия и иантом ответа).

Установите соответствие между качеством (ценностью) энергии и ее формой:

1.Низкокачественная (малоценная) энергия.

2.Энергия среднего качества (промежуточной ценности).

3.Высококачественная (наиболее ценная) энергия.

Варианты ответа:

А. Тепловая.

Б. Химическая.

В. Электрическая.

Г. Космическая.

Обоснование ответа. Самой малоценной энергией является тепловая энергия, так как перевести в полезную работу можно только часть тепла, которая определяется отношением (Т_н - Т_х)/Т_н. К сожалению, сделать Т_х близким к О К очень сложно, обычно Т_х — это температура окружающей среды (-300 К). Энергия, запасенная в химических соединениях, гораздо цен­нее. Недаром природа выбрала именно химическую, форму для создания за­пасов энергии клетки (АТФ). Электрическая форма энергии является самой высококачественной из перечисленных в задании, так как потери этой энер­гии при совершении полезной работы могут быть очень небольшие. Понятия космической энергии вообще не существует!

Правильным является соответствие: 1 — А; 2 — Б; 3 — В.

 

Задание 21.7 (выберите один вариант ответа).

Утверждение, что энтропия изолированной (замкнутой) системы не мо­жет убывать, носит название ...

Варианты ответа:

1.Нулевого начала термодинамики.

2.Первого начала термодинамики.

3.Второго начала термодинамики.

4.Третьего начала термодинамики

Обоснование ответа. Согласно определению энтропии S = ЫпР(где Р — характеризует вероятность макросостояния, k — постоянная Больцмана) эн­тропия изолированной системы при протекании необратимого процесса воз­растает, так как изолированная (т. е. предоставленная самой себе) система переходит из менее вероятных в более вероятные состояния. Утверждение о том, что энтропия изолированной системы может только возрастать (либо по достижении максимального значения оставаться неизменной), носит назва­ние закона возрастания энтропии или второго начала термодинамики.

Правильным является вариант ответа: 3) второго начала термодинамики.

 

Задание 21.8 (выберите один правильный ответ).

Функция состояния системы, характеризующая направление протека­ния самопроизвольных процессов в изолированной системе называется ...

Варианты ответа:

1.Энтропией.

2. Энергией.

3.Массой.

4. Импульсом.

Обоснование ответа. Энтропия действительно является функцией со­стояния термодинамической системы — ее значение зависит только от со­стояния системы и не зависит от процесса, посредством которого система пришла в это состояние (т. е. от предыстории системы). Изолированная сис­тема эволюционирует в таком направлении, что ее энтропия увеличивается, пока не достигнет максимума. Это означает, что система находится в состоя­нии термодинамического равновесия.

Правильным является вариант ответа: 1) энтропией.

 

 

22.

ЗАКОНОМЕРНОСТИ САМООРГАНИЗАЦИИ. ПРИНЦИПЫ УНИВЕРСАЛЬНОГО ЭВОЛЮЦИОНИЗМА

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ

22.1.В природе существует множество примеров возникновения порядка в первоначально беспорядочных структурах. Наиболее явственно и наглядно подобные явления демонстрирует живая природа. Однако и в неживой природе немало процессов, которые протекают в направлении от беспорядка к порядку.

Всем знакомые снежинки, обладающие высокосимметричной структурой, образуются из бесструктурного водяного пара. В спокойном течении реки при огибании препятствий или при ускорении течения в области сужения русла могут возникнуть структуры в виде вихрей. Классическим примером образования структур из полностью хаотической фазы в лабораторных условиях являются конвективные ячейки Бенара. Другим примером образования структур являются автоколебания (звуковые, электрические, оптические, в том числе лазерные). Автоколебания возникают и в некоторых химических реакциях. Классическим примером самоорганизации является реакция Белоусова- Каботинского (периодическое изменение цвета раствора). Известны примеры образования структур и в мегамире (звезды, туманности и т. п.).

22.2. В последнее время ученые начинают активно исследовать такие примеры, что, в частности, объясняется их важностью в силу универсального характера. И хотя успехи в этом направлении пока еще весьма скромные по сравнению, например, с исследованиями в физике микромира, многие каче­нные особенности такого рода задач становятся понятными. Соответствующее научное направление выделилось в отдельную область, для которой Г. Хакен (1973) предложил название синергетика. Предметом этой новой области науки было названо изучение общих принципов функционирования систем, в которых из хаотических состояний самопроизвольно возникают упорядоченные пространственные, временные и пространственно-временные структуры. Синергетика призвана построить физическую модель этих процессов и подобрать для их описания адекватный математический аппарат.

22.3.Самоорганизация — это процесс эволюции от беспорядка к порядку. Общие свойства систем, способных к самоорганизации, следующие. Во- первых, все подобные системы должны быть открытыми, т. е. Обмениваться с окружающей средой либо веществом, либо энергией или и тем, и другим . Так как в открытых структурах энергия системы может переходить в окружающую среду (теряться), то такие структуры называются диссипативными. Во-вторых, самоорганизация происходит в неравновесных системах, таких системах, состояние которых в данный момент существенно отличаются от теплового равновесия. В-третьих, самоорганизующиеся системы должны быть достаточно большими, т. е. состоять из многих частиц (подсистем ). Дело в том, что только в таких системах возможно возникновение флуктуаций — макроскопических неоднородностей. В-четвертых, эволюция систем, способных к самоорганизации, описывается нелинейными уравнениями. Именно в нелинейных системах малые флуктуации способны возрас­тать и приводить к бифуркациям.

22.4.Самоорганизация имеет пороговый характер. Это означает, что до некоторого значения какой-то физической величины (например, энергии), описывающей состояние рассматриваемой системы, последняя ведет себя «обычным образом», в соответствии с известными динамическими и стати­стическими законами. При увеличение значений этой физической величины и отклонении от равновесного состояния в системе нарастают флуктуации, неконтролируемые изменения состояния, которые в обычном состоянии дос­таточно малы. Наконец, в точке бифуркации система скачком переходит в новое состояние с иной структурой, иными свойствами. Обычно в точке би­фуркации у системы имеется несколько (обычно две) возможностей образо­вать новую структуру. Однако предсказать, какая из этих структур реализу­ется, принципиально невозможно.

22.5.Процессы самоорганизации и изучающая их наука синергетика яв­ляются основой научной программы, которая охватывает не только естест­венные, но и гуманитарные науки. Именно эта научная программа призвана построить модель эволюционных процессов самого общего вида. Такой «эво­люционный» подход к природе и обществу, к Вселенной в целом получил название универсальный эволюционизм. Основные принципы универсаль­ного эволюционизма следующие:

1.Все в природе существует в развитии.

2.Эволюционные процессы объективны и познаваемы.

3.Известные законы природы следует воспринимать как принципы от­бора допустимых состояний из всех возможных.

4.В эволюционных процессах фундаментальную и неустранимую роль играют случайности и неопределенности (в точках бифуркации).

5.Любое развитие следует рассматривать как чередование медленных количественных и быстрых качественных изменений (бифуркаций).

6.Поведение системы в точках бифуркации непредсказуемо (прошлое влияет на будущее, но не определяет его).

7.Устойчивость и надежность систем в природе и обществе обусловлены их постоянным обновлением в ходе эволюции.

8.Окружающую среду не следует рассматривать просто как «термостат», имеет место совместная эволюция (коэволюция) системы и окружающей среды.