4397

11

данной выборки с числом измерений n=10. Сформулируйте вывод и оформите конспект.

Вариант 6. Пользуясь актуальной (согласно дате занятия) сводкой о курсе валют «Евро/Рубль», проведите статистическую обработку результатов данной выборки с числом измерений n=8. Сформулируйте вывод и оформите конспект.

Вариант 7. Пользуясь актуальной (согласно дате занятия) сводкой о среднесуточной температуре воздуха в г. Воронеже, проведите статистическую обработку результатов данной выборки с числом измерений n=7. Сформулируйте вывод и оформите конспект.

Вариант 8. Пользуясь актуальной (согласно дате занятия) сводкой об утренней температуре воздуха в г. Воронеже, проведите статистическую обработку результатов данной выборки с числом измерений n=7. Сформулируйте вывод и оформите конспект.

Вариант 9. Пользуясь актуальной (согласно дате занятия) сводкой об атмосферном давлении в г. Воронеже, проведите статистическую обработку результатов данной выборки с числом измерений n=8. Сформулируйте вывод и оформите конспект.

Вариант 10. Пользуясь актуальной (согласно дате занятия) сводкой о силе ветра в г. Воронеже, проведите статистическую обработку результатов данной выборки с числом измерений n=8. Сформулируйте вывод и оформите конспект.

Вопросы для самоконтроля

1.Как классифицируют измерения по способу получения результатов?

2.Как возникают ошибки измерения?

3.Как классифицируют ошибки измерения?

4.Как определяют абсолютные и относительные ошибки?

5.Что такое закон нормального распределения?

6.В чем суть правила «трех сигм»?

7.Что такое среднеквадратичная ошибка? Средняя квадратичная ошибка среднего арифметического?

8.Что такое доверительный интервал и доверительная вероятность?

9.Что такое дисперсия ошибки? Как влияет число измерений на дисперсию?

Дополнительная литература

Голых, Ю. Г. Метрология, стандартизация и сертификация. Lab VIEW: практикум по оценке результатов измерений [Электронный ресурс] : учеб. пособие / Ю. Г. Голых, Т. И. Танкович. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2014. – 140 с. – ISBN 978-5-7638-2927-3. – Режим доступа: http://znanium.com/catalog.php?bookinfo=507394

12

РАЗДЕЛ «ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА»

Практическое занятие № 2. МЕХАНИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА. ЗАКОН ВСЕМИРНОГО ТЯГОТЕНИЯ

Цель занятия: ознакомиться с основными понятиями физической картины мира; научиться определять вклад гравитационного взаимодействия для объектов макро и мегамира.

Механическая картина мира сформировалась в XVI-XVII вв. под влиянием метафизических материалистических представлений о материи и формах ее существования. Ее основу составили идеи и законы механики (принцип Г. Галилея, законы И. Кеплера, Н. Коперника, И. Ньютона), которая к XVII в. была наиболее разработанным разделом физики.

Корпускулярные представления о материи рассматривали мир как совокупность неделимых мельчайших, неделимых, абсолютно твердых движущихся частиц – атомов (теория атомов).

Все многообразие взаимодействий в механической картине мира обусловлено гравитационным взаимодействием, которое означает наличие сил притяжения между телами. Согласно принципу дальнодействия, предложенного Ньютоном, взаимодействие между телами происходит мгновенно на любом расстоянии, без материальных посредников, т.е. промежуточная среда в передаче взаимодействия участия не принимает.

Величайшим достижением того времени явился закон всемирного тяготения (ок. 1666 г.): сила тяготения прямо пропорциональна произведению масс тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними

(12)

где m1, m2 – массы тел; r – расстояние; G – гравитационная постоянная,

G=6,67* 10-11 м³/(кг с²).

Движение земных и небесных тел подчинялось одним и тем же законам механики Ньютона, и представляло собой простое механическое перемещение, а Вселенная, в соответствии с механической картиной мира, представляла собой хорошо отлаженный механизм, гигантскую механическую систему.

Индивидуальное задание

Рассчитайте во сколько раз Ваша сила притяжения к Земле отличается от таковой к другой планете Солнечной системы (см. номер варианта в табл. 4). В прил. 2 даны основные характеристики планет Солнечной системы.

Таблица 4

Варианты для выполнения индивидуального задания

13

Вопросы для самоконтроля

1.Каков основной предмет изучения физической науки?

2.В чем заключаются корпускулярные представления о материи в рамках механической картины мира?

3.В чем заключается принцип относительности Галилея?

4.Как звучит ньютоновский принцип дальнодействия?

5.Сформулируйте основные законы Ньютона и закон всемирного тяготения.

Дополнительная литература

1.Рузавин, Г. И. Концепции современного естествознания [Электронный ресурс] : учеб. / Г. И. Рузавин. – 3-e изд., стереотип. – М. : НИЦ ИНФРА-М, 2014. – 271 с. – ЭБС "Знаниум". – Режим доступа: http://znanium.com/bookread.php?book=454162. – Загл. с экрана.

2.Бондарев, В. П. Концепции современного естествознания [Электронный ресурс] : учеб. / В. П. Бондарев. – 2-e изд., перераб. и доп. – М. : Альфа-М : ИНФРА-М, 2011. – 512 с. – ЭБС "Знаниум". – Режим доступа: http://znanium.com/bookread.php?book=317298

Практическое занятие № 3. КОНЦЕПЦИИ ОПИСАНИЯ ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ

Цель занятия: ознакомиться с основными концепциями описания пространства и времени; научиться оценивать релятивистские эффекты специальной теории относительности

В истории физической науки смена взглядов на структуру и свойства материи и причины ее движения происходила дважды (в ХVII и ХIX в.), что отразилось в последовательно сменивших друг друга физических картинах мира: механической, электромагнитной и квантово-полевой. Представления о материальном устройстве мира неразрывно связаны с представлениями о пространстве и времени.

Концепцию абсолютного пространства и абсолютного времени предложил И. Ньютон. Абсолютное пространство представлялось большим «черным ящиком», который являлся универсальным вместилищем всех материальных тел в природе. Абсолютное время представлялось в образе текущей реки и являлось универсальной длительностью всех процессов во Вселенной. Абсолютное пространство и абсолютное время существуют совершенно независимо от материи.

В рамках электромагнитной картины мира (XIX в. – М. Фарадей, Дж. Максвелл, Кулон, Ампер и др.) произошла смена корпускулярных представлений о материи на новые, континуальные (непрерывные). Мир и материя представляют собой единую электродинамическую систему, построенную из электрически заряженных частиц, взаимодействующих

14

посредством электромагнитного поля. Магнитные силовые линии непрерывны и не имеют ни начала, ни конца. Любые взаимодействия передаются полем от точки к точке непрерывно и с конечной скоростью (фарадеевский принцип близкодействия).

Впервые в рамках электромагнитной картины мира было введено понятие вероятность в виде статистических законов (кинетическая теория газов, статистическая механика). Уравнения Дж. Максвелла позволили единообразно описать стационарные и нестационарные электромагнитные явления, связать пространственные и временные изменения электрического и магнитного полей. Пространство и время не абсолютны, а неразрывно связаны с движущейся материей. В 1903 г. А. Эйнштейн выдвинул идею об относительности пространства и времени. В 1905 г он сформулировал специальную теорию относительности (СТО), 1916 г. – общую теорию относительности (ОТО). Пространство – выражает сосуществование объектов, время – последовательность их состояний.

Индивидуальное задание

Основываясь на выводах и релятивистских эффектах СТО и ОТО А. Эйнштейна, рассчитайте, как изменится масса космического путешественника, если он будет двигаться в космическом летательном аппарате со скоростью υ=i*c, где с – скорость света, равная 3*108 м/с (i изменяется в диапазоне i=0.1-1).

Вопросы для самоконтроля

1.Что есть пространство, и что есть время согласно современным физическим представлениям?

2.В чем заключаются ньютоновские представления об абсолютном пространстве и абсолютном времени?

3.В чем заключается континуальные взгляды на структуру материи?

4.Что есть движение в рамках электромагнитной картины мира?

5.Какое свойство объектов вытекает исходя из общей и специальной теории относительности А.Эйнштейна?

Дополнительная литература

1.Рузавин, Г. И. Концепции современного естествознания [Электронный ресурс] : учеб. / Г. И. Рузавин. – 3-e изд., стереотип. – М. : НИЦ ИНФРА-М, 2014. – 271 с. – ЭБС "Знаниум". – Режим доступа: http://znanium.com/bookread.php?book=454162. – Загл. с экрана.

2.Бондарев, В. П. Концепции современного естествознания [Электронный ресурс] : учеб. / В. П. Бондарев. – 2-e изд., перераб. и доп. – М. : Альфа-М : ИНФРА-М, 2011. – 512 с. – ЭБС "Знаниум". – Режим доступа: http://znanium.com/bookread.php?book=317298.

15

Практическое занятие № 4. МИКРОМИР. КОРПУСКУЛЯРНОВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ МИКРОЧАСТИЦ

Цель занятия: ознакомиться с понятиями и концепциями описания микромира; научиться определять основные характеристики микрочастиц

Микромир – это один из уровней организации материи, включающий область предельно малых, непосредственно не наблюдаемых объектов с размером в диапазоне от 10-8 до 10-16 см и временем жизни от бесконечности (стабильные частицы) до 10-24 с (нестабильные частицы).

На уровне микромира исследуются свойства и поведение микрообъектов, таких как молекулы, атомы, субатомные единицы (электроны, протоны, нейтроны) и элементарные частицы (кварки).

Для описания микрообъектов используется фундаментальная физическая теория – квантовая механика, которая основывается на 1) положении о квантовании физических величин; и 2) корпускулярно-волновом дуализме (двойственной природе) микрообъектов. Взаимосвязь корпускулярных и волновых свойств микрообъектов выражается уравнением Л. Де Бройля

где λ – длина волны микрочастицы, м; h – постоянная Планка, равная 6,62*10-34 Дж*с; m – масса микрочастицы, кг; υ – скорость движения микрочастицы, м/с.

Индивидуальные задания

Задание 1. Пользуясь материалом лекции, учебников [2, 5] и прил. 1, определите атомный состав химического элемента – укажите число электронов, протонов и нейтронов в атоме данного элемента.

Задание 2. Пользуясь материалом лекции, учебников [2, 5] и прил. 1, приведите примеры изобаров.

Задание 3. Пользуясь материалом лекции, учебников [2, 5] и прил. 1,

количественно определите, чем отличаются изотопы некоторых химических элементов (водорода10H; 12H; 13H; хлора35Cl17, и 35Cl17; кислорода 16O, 17О, 18О; кремния

28Si, 29Si, 30Si).

Задание 4. Учитывая положение квантовой теории о корпускулярно-волновом дуализме микрочастиц, выраженное в виде уравнения де Бройля, рассчитайте длину волны микрочастицы, если известна ее масса и скорость движения.

Задание 5. Пользуясь материалом лекции, учебников [2, 5] и прил. 1, запишите набор квантовых чисел для указанного химического элемента.

Задание 6. Пользуясь материалом лекции, учебников [2, 5] и прил. 1, определите тип химической связи в химических соединениях.

Вопросы для подготовки и самоконтроля

1.Какие объекты описываются на уровне микромира?

2.Как классифицируют микрообъекты?

3.В чем заключается корпускулярно-волновой дуализм микрообъектов?

4.На чем основана физическая теория квантовая механика?

5.Что такое изотопы и изобары?

6.Для чего используется изотопный анализ материалов?

16

Дополнительная литература и ресурсы:

1.www.isotopesmatter.com.

2.Рузавин, Г. И. Концепции современного естествознания [Электронный ресурс] : учеб. / Г. И. Рузавин. – 3-e изд., стереотип. – М. : НИЦ ИНФРА-М, 2014. – 271 с. – ЭБС "Знаниум". – Режим доступа: http://znanium.com/bookread.php?book=454162. – Загл. с экрана.

РАЗДЕЛ «ХИМИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА»

Практическое занятие № 5. ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА. ОПРЕДЕЛЕНИЕ И РАСЧЕТ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

Цель занятия: ознакомиться с основными понятиями химической термодинамики; научиться определять направление и вероятность протекания химической реакции

Одной из основных составляющих естественнонаучной картины мира является химическая картина мира. Она формируется на основе четырех концептуальных систем химического знания: учения о составе вещества, структурной химии, учения о химических процессах и эволюционной химии.

Учение о химических процессах включает в себя раздел «Химическая термодинамика» и «Химическая кинетика», в которых рассматриваются энергетика химического процесса, закономерности перехода из одного равновесного состояния (начального) в другое (конечное), особенности протекания химических реакций во времени и механизм взаимодействия.

Термодинамика – это наука о превращениях различных форм энергии и законах этих превращений. В природе, все происходящие процессы, сопровождаются превращениями энергии. Например, процессы окисления, таяния льда, грозовые разряды и другие. Протекание химических реакций также сопровождается изменениями энергии – поглощением (эндотермические реакции) или выделением (экзотермические реакции) тепла. Например,

С(уголь) + О2 = СО2 + 409,2 кДж – экзотермическая реакция, С(уголь) + S2 = СS2 – 82,01 кДж – эндотермическая реакция.

Количество теплоты, выделяемое или поглощаемое системой в ходе реакции при образовании 1 моль продуктов реакции, называется тепловым эффектом реакции. (Q, кДж или ккал; 1 ккал = 4,1849 кДж).

Тепловые эффекты химических реакций количественно изучаются в специальном разделе химии - термохимии, а закономерности перехода химического процесса из одного равновесного состояния в другое – в разделе

химическая термодинамика.

На основании термохимических и термодинамических расчетов можно установить, возможно ли самопроизвольное протекание реакции в данном

17

направлении (записанном в виде химического уравнения реакции) и какие для этого необходимы условия.

В основе термохимических расчетов лежат законы, сформулированные Гессом (1844 г.) и Лавуазье-Лапласом.

Закон Гесса

Тепловой эффект реакции зависит только от природы и состояния исходных веществ и конечных продуктов, но не зависит от пути процесса, то есть от числа и характера промежуточных стадий.

Например: С(графит) + О2(Г) = СО2(Г) + Q1 С(графит) + ´ О2(Г) = СО (Г) + Q2

СО(Г) + ´ О2(Г) = СО2(Г) + Q3

С(графит) + О2(Г) = СО2(Г)Q1 = Q2 + Q3

Закон Лавуазье-Лапласа

Теплота разложения данного химического соединения на простые вещества численно равна теплоте образования этого соединения из соответствующих простых веществ, но имеет противоположный знак.

Например: Са(Т) + ´ О2(Г) = СаО(Т), Q = 635,5 кДж/моль СаО(Т) = Са(Т) + ´ О2(Г), Q = - 635,5 кДж/моль.

В основе термодинамических расчетов лежат понятия о термодинамической системе; термодинамических параметрах системы, описывающих состояние системы (давление (р), температура (Т), объем (V), масса (m); и термодинамических функциях системы (внутренняя энергия, U; энтальпия, H; энтропия, S; свободная энергия Гиббса (изобарноизотермический потенциал, G).

Основными законами термодинамики являются I-е, II-е и III-е начала термодинамики.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Используя справочные данные из приложения 3, проведите расчет основных термодинамических функций (энтальпии, энтропии и свободной энергии Гиббса) и количественно подтвердив возможность или невозможность самопроизвольного протекания химической реакции в данном направлении. Оформите практическую работу в виде отчета.

Индивидуальные задания

Вариант 1. Используя справочные данные, проведите расчет изменения энтальпии (ΔH) и энтропии (ΔS) для химической реакции:

3 Mg(т) + Fe2O3(т) = 3 MgO(т) + 2Fe(т),

Докажите возможность или невозможность протекания этой реакции при 20 оС, рассчитав изменение свободной энергии Гиббса (ΔG).

Вариант 2. Определите, в каком направлении может самопроизвольно протекать реакция при 17 оС

NiO(т) + Zn(т) = ZnO(т) + Ni(т).

18

Обратитесь к справочным данным для расчета изменения энтальпии (ΔH), энтропии (ΔS) и свободной энергии Гиббса (ΔG).

Вариант 3. Вычислите G для реакции KCl(т) + O2 (г) = KСlO3(т),

если температура равна 297 К. Используйте справочные данные для расчета изменения энтальпии (ΔH) и энтропии (ΔS). Сделайте вывод о направлении протекания реакции.

Вариант 4. Возможно ли протекание реакции: Cr2O3 + 2Al = Al2O3 + 2Cr при температуре 31 оС? Для ответа используйте результаты расчета термодинамических величин: ΔHо, ΔSо, Gо по справочным данным.

Вариант 5. Укажите, возможно ли самопроизвольное протекание реакции образования оксида азота 2N2 (г) + O2(г)= 2N2O(г) при температуре 311 К. Для ответа проведите расчет термодинамических величин ΔHо, ΔSо, Gо по справочным данным.

Вариант 6. Определить знак и величину энергии Гиббса для реакции

4HCl(г) + O2 (г) = 2Cl2(г) + 2H2O(ж),

если температура равна 318К. При расчетах S, Н используйте справочные данные. Вариант 7. Установите возможность протекания реакции при 52 оС

2NO(г) + O2 (г) = 2NO2(г).

Используйте справочные данные для расчета Sо и Но.

Вариант 8. Рассчитайте значение свободной энергии Гиббса при 332 К для

реакции NH3(г) + H2O(ж) = NH4OH(ж), используя справочные значения Sо и Но. В каком направлении реакция может протекать самопроизвольно?

Вариант 9. Может ли быть восстановлен оксид железа (II) оксидом углерода (II) при 65 оС? Напишите уравнение химической реакции и проведите расчет термодинамических функций, используя справочные данные.

Вариант 10. Может ли быть окислен кремний кислородом при Т = 346 К? Для ответа запишите уравнение химической реакции и рассчитайте термодинамические величины Sо, Нои G.

Вариант 11. Определите направление самопроизвольного протекания

реакции2H2S(г) + 3О2(г) = 2Н2О(ж) + 2SO2(г) , если температура равна 81 оС. Проведите расчет термодинамических величин, используя справочные данные.

Вариант 12. Объясните возможность или невозможность самопроизвольного протекания реакции СО2(г) = СО2(к) , используя справочные данные для расчета Sо,Но и G. Значение температуры равно 87оС.

Вариант 13. Возможно ли самопроизвольное протекание реакции 2СО2(г) = 2СО(г) + О2(г), если температура равна 94оС? Ответ подтвердите расчетом термодинамических функций Sо, Но и G.

Вариант 14. Вычислите G для реакции СаО(к) + СО2(г) = СаСО3(к), происходящей при Т = 101 К. Для расчета используйте справочные значения энтропии Sо и энтальпии образования веществ, Но.

Вариант 15. Может ли железо быть окислено кислородом при Т = 381К? Напишите уравнение реакции. Ответ подтвердите расчетом термодинамических величин Sо, Нои G.

19

Вопросы для подготовки и самоконтроля

1.Что изучает химическая термодинамика?

2.Какие законы лежат в основе термохимических расчетов?

3.Назовите основные термодинамические функции физических и химических процессов? В чем их смысл?

4.При каком условии протекание процесса невозможно?

Дополнительная литература и ресурсы:

1.Рузавин, Г. И. Концепции современного естествознания [Электронный ресурс] : учеб. / Г. И. Рузавин. – 3-e изд., стереотип. – М. : НИЦ ИНФРА-М, 2014. – 271 с. – ЭБС "Знаниум". – Режим доступа: http://znanium.com/bookread.php?book=454162. – Загл. с экрана.

2.Елфимов, В. И. Основы общей химии [Текст] : учеб. пособие / В. И. Елфимов. – 2-е изд. – М. : НИЦ ИНФРА-М, 2015. – 256 с.

3.Концепции современного естествознания [Текст] : учеб. / под ред. Лавриненко В. Н., – 4-е изд., перераб. и доп. – М. : ЮНИТИ-ДАНА, 2015. – 319

с. : 60x90 1/16 ISBN 978-5-238-01225-4

Практическое занятие № 6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Цель занятия: ознакомиться с основными понятиями химической кинетики; научиться оценивать скорость химических реакций при изменении концентрации и температуры процесса

Исследование механизмов и условий протекания химических процессов является задачей учения о химических процессах – химической кинетики.

Химическая кинетика – это раздел физической химии, изучающий скорости протекания химических реакций и механизм химических превращений. В отличие от термодинамики, химическая кинетика изучает протекание химических реакций во времени.

Основополагающим понятием в химической кинетике является скорость химической реакции (v), которая определяется изменением концентрации веществ (ΔС) за единицу времени ( t)

Скорость химической реакции измеряется в моль/л*мин или моль/л*час.

Химические реакции происходят в гомогенных и гетерогенных системах. Гомогенная система состоит из веществ, находящихся в одной фазе или агрегатном состоянии (реагенты и продукты в жидком или газообразном). Например, H2(г) + Cl2(г) 2HCl(г), – гомогенная система.

20

Гетерогенная система состоит из нескольких фаз, т.е. из веществ, находящихся в различных агрегатных или фазовых состояниях – твердом, жидком и газообразном. Например, Zn(т) + Cl2(г) ZnCl2(т), уравнение реакции, в которой Zn (цинк) находится в твердом агрегатном состоянии, а Cl2(хлор) – в газообразном.

Химические реакции могут проходить до конца и являться необратимыми. Иногда некоторые реакции протекают как в прямом, так и в обратном направлении, тогда они являются обратимыми. С течением времени в обратимых реакциях наступает такой момент, когда скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции – состояние химического равновесия.

Скорость химической реакции зависит от следующих факторов: природы реагирующих веществ, их концентрации, температуры системы, наличия катализатора, степени дисперсности взаимодействующих веществ.

Количественно влияние каждого фактора подчиняется следующим основным законам химической кинетики: закон действующих масс, правило Вант-Гоффа, принцип Ле Шателье для обратимых реакций.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Задание 1. Пользуясь материалами лекций и учебника, проведите расчет

скорости химической реакции (согласно указанному варианту задания), если известны условия ее проведения. Укажите, является ли реакция гомогенной или гетерогенной. Ответ оформите в виде отчета.

Индивидуальные задания

Вариант 1. Какова скорость реакции после нагревания реагирующей смеси от 100 до 180 оС, если начальная скорость реакции равна 0,7 моль/л в минуту, а температурный коэффициент системы равен 2.

Вариант 2. Скорость реакции равна 0,14 моль/л в минуту, температурный коэффициент равен 3. Систему нагрели от 100 до 150 оС. Вычислите скорость этой реакции после нагревания.

Вариант 3. Реакция протекает при температуре 100 оС со скоростью 0,21 моль/л в минуту. Определите скорость реакции после нагревания системы до 120 оС, если температурный коэффициент равен 4.

Вариант 4. Определите скорость реакции после нагревания реагирующей смеси от 90 до 130 оС при температурном коэффициенте 3 и начальной скорости 0,01 моль/л в секунду.

Вариант 5. Вычислите скорость реакции после нагревания реагирующей смеси от 100 до 160 оС, если начальная скорость реакции была 0,02 моль/л в секунду. Температурный коэффициент равен 2.

Вариант 6. Начальная скорость реакции равна 0,03 моль/л в секунду при температуре 80 оС. Температуру увеличили до 120 оС. Вычислите скорость реакции при этой температуре, если температурный коэффициент равен 3.

Вариант 7. При температуре 80 оС скорость реакции равна 0,04 моль/л в секунду. Какова будет скорость этой химической реакции, если температуру в