Тема №6. Термодинамические и статистические закономерности

План:

6.1 Термодинамика.

6.2 Начала термодинамики.

6.3 Замкнутые и открытые системы. Энтропия.

Отыскиванием самых общих “правил поведения” макротел занимается термодинамика (от греческих “терме” – тепло, жар и “динамис” – сила). Выявлением же связи этих общих правил с механикой, т.е. движением частиц (точек), образующих тела, занимается статистическая физика (статистическая механика).

У термодинамики существуют четыре начала, т.е. четыре основных закона:

1). Нулевое начало – замкнутая система всегда стремится к состоянию равновесия.

2). Первое начало – это закон сохранения энергии: внутренняя энергия тела U определяется разностью между количеством теплоты Q, которую тело получает, и работой А, которую само совершает: U = Q – A,

3). Второе начало - закон возрастания энтропии: энтропия замкнутой системы всегда возрастает.

4). Третье начало – теорема Нернста: равенство нулю энтропии при абсолютном нуле температуры.

В XIX веке Клаузиус вводит в термодинамику понятие энтропии, которая является функцией состояния системы. Чуть позже Больцман связывает энтропию с вероятностью.

Количественной характеристикой теплового состояния системы является термодинамическая вероятность W, равная числу макроскопических способов, с помощью которых это состояние может быть достигнуто. Система, предоставленная самой себе, стремится перейти в состояние с большим значением W. Принято пользоваться не самой вероятностью W, а ее логарифмом, который еще умножается на постоянную Больцмана k. Определенную таким образом величину

S = k lnW

называют энтропией. Эта формула высечена на памятнике Больцману на Венском кладбище.

Из сказанного выше следует, что энтропия возрастает с увеличением температуры и увеличением беспорядка. Таким образом, она возрастает при плавлении тел, при переходе из жидкости в газ и уменьшается при кристаллизации тел, при конденсации вещества и т.д.

Контрольные вопросы:

1. Что такое энтропия?

2. Назовите начала термодинамики.

3. Какое начало термодинамики запрещает «вечный двигатель»?

4. Что изучает термодинамика?

Рекомендуемая литература:

1. Липовко П.О. Концепции современного естествознания. Учебник для ВУЗов , Ростов-на-Дону, Феникс, Феникс, 2004 – 512 с.ISBN: 5-222-04042-9.

2. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания для вузов. Изд. 3-е, перераб., доп.. Москва, Альфа-М, ИНФРА-М, 2008 – 704 с. ISBN: 978-5-98281-102-8, 978-5-16-002918-4.

Интернет ресурсы:

1. http://lib.ru/TEXTBOOKS/TEACH/Physics/node12.html - энтропия.

2. http://www.phyzika.ru/termodinamika.html - термодинамика.

Тема №7. Радиоактивность

План:

7.1 Атомный и нуклонный уровни материи.

7.2 Радиоактивность. Виды радиационного излучения.

7.3 Ядерный распад. Изотопы.

7.4 Термоядерный синтез.

7.5 применение ядерной энергии.

7.6. Ядерное оружие.

Атомный и нуклонный уровни материи. Открытие естественной радиоактивности - явления, доказывающего сложный состав атомного ядра, произошло благодаря счастливой случайности.

Незадолго до этого были открыты рентгеновские лучи, которые образовывались благодаря столкновениям быстрых электронов со стенками разрядной трубки. Одновременно наблюдалось свечение стенок разрядной трубки. Французский учёный Анри Беккерель долгое время исследовал родственное явление - послесвечение веществ, подвергшихся облучению солнечным светом. Беккерель экспериментировал с солями урана.

В 1898 г. Мария Склодовская-Кюри во Франции и другие учёные обнаружили излучение тория. В дальнейшем главные усилия в поисках новых радиоактивных элементов были предприняты супругами Кюри. Систематическое исследование руд, содержащих уран и торий, позволила им выделить новый, неизвестный ранее химический элемент - полоний, названный так в честь Родины Марии Склодовской - Польши.

В последствии было установлено, что все химические элементы с порядковым номер более 83 являются радиоактивными.

Дальнейшие исследования показали, что самопроизвольное излучение некоторых атомов имеет сложный состав. В магнитном поле пучок радиоактивного излучения распадался на три пучка. Две составляющие первичного потока отклонялись в противоположные стороны. Это указывало на наличие у этих излучений электрических зарядов противоположных знаков. При этом отрицательная компонента излучения отклонялась магнитным полем гораздо больше, чем положительная. Третья составляющая не откланялась магнитным полем. Положительная заряженная компонента получила название a- лучей, отрицательно заряженная - b- лучей и нейтральная - γ-лучей.

Наименьшую проникающую способность имеют a - лучи. Их задерживает слой бумаги толщиной 0,1 мм. b- лучи задерживает алюминиевая пластинка толщиной в несколько мм. Наибольшей проникающей способностью обладают γ - лучи. Слой свинца толщиной в 1 см не является для них преградой. При прохождении через такую пластинку их интенсивность убывает только в два раза.

γ - лучи представляют собой электромагнитное излучение с очень малой длиной волны 10^-8 – 10^-11 см. На шкале э/м волн γ - лучи следуют за рентгеновскими. Скорость распространения в вакууме у γ - лучей такая же как у всех э/м волн – 300000 км/с. b- лучи – это поток быстрых электронов. Скорости b- частиц, испущенных данным радиоактивным элементом, неодинаковы. Встречаются частицы с разными скоростями.

a - частицы – это ядра атома гелия.

После того, как было открыто атомное ядро, сразу стало ясно, что именно оно претерпевает излучения при радиоактивных превращениях. Ведь a - частиц вообще нет в электронной оболочке, а уменьшение числа электронов в оболочке превращает атом в ион, а не в новый химический элемент. Выброс же электрона из ядра меняет заряд ядра (увеличивает его) на единицу. Заряд ядра определяет порядковый номер элемента в таблице Менделеева и все его химические свойства.

Оказалось, что для каждого радиоактивного вещества существует определенный интервал времени, на протяжении которого активность убывает в два раза. Этот интервал носит название периода полураспада. Период полураспада Т – это время, в течении которого распадается половина наличного числа радиоактивных атомов.

Радиоактивный распад подчиняется статистическому закону. Радиоактивный атом может распадаться быстро, а может через несколько лет.

Статистический характер закона радиоактивного распада есть следствие того, что законы поведения микрочастиц – законы квантовой механики – являются статистическими.

В результате наблюдения огромного числа радиоактивных превращений постепенно выяснялось, что существуют вещества, имеющие совершенно тождественные по своим химическим свойствам. Оказалось, что эти вещества отличаются не только своими радиоактивными свойствами, но и массой. Эти вещества были названы изотопами.

В настоящее время установлено существование изотопов у всех химических элементов, но не все химические элементы имеют стабильные изотопы. Изотопы есть у самого тяжелого из существующих в природе элементов урана (относительные массы 238, 235 и т.д.) и самого легкого- водорода (относительные массы 1, 2, 3).

Особенно замечательны изотопы водорода, так как они отличаются по массе друг от друга в 2 или 3 раза. Изотоп с относительной массой 1 называется протием, с относительной массой – 2 – дейтерием. Дейтерий стабилен и входит в качестве небольшой примеси (1:4500) в обычный водород. При соединении дейтерия с кислородом образуется так называемая тяжелая вода. Ее физические свойства заметно отличаются от свойств обычной воды. При нормальном атмосферном давлении она кипит при 101,2⁰ и замерзает при 3,5 ⁰ С.

Изотоп водорода с атомной массой 3 называется тритием. Он b-радиоактивен с периодом полураспада около 12 лет.

Ядерными реакциями называют изменения атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами или друг с другом. Ядерные реакции происходят, когда частицы вплотную подходят к ядру и попадают в зону действия ядерных сил. Ядерные реакции, как правило, осуществляются в ядерных реакторах. Ядерными (или атомными) реакторами называются устройства, в которых осуществляются управляемые реакции деления ядер.

Впервые цепная ядерная реакция деления урана была осуществлена в США коллективом учёных под руководством Энрико Ферми в 1942 г. В нашей стране первый ядерный реактор был запущен 25 декабря 1946 г. коллективом физиков, который возглавлял Игорь Васильевич Курчатов. В настоящее время созданы различные типы реакторов, отличающихся друг от друга, как по мощности, так и по своему назначению. Наиболее перспективными являются реакторы-разможители на быстрых нейтронах.

Термоядерные реакции. Масса покоя ядра урана больше суммы масс покоя осколков, на которые делится ядро. Для легких ядер дело обстоит наоборот. Так, масса покоя ядра гелия значительно меньше суммы масс покоя двух ядер тяжёлого водорода, на которые можно разделить ядро гелия.

Это означает, что при слиянии лёгких ядер масса покоя уменьшается и, следовательно, должна выделяться значительная энергия. Подобные реакции слияния лёгких ядер могут протекать только при очень высоких температурах. Поэтому они называются термоядерными. Таким образом, термоядерные реакции – это реакции слияния лёгких ядер при очень высокой температуре.

Для слияния ядер необходимо, чтобы они сблизились на расстояние около 10^-12 см, т.е., чтобы они попали в сферу действия ядерных сил. Этому сближению препятствует кулоновское отталкивание ядер, которое может быть преодолено лишь за счёт большой кинетической энергии теплового движения ядер.

Энергия, которая выделяется при термоядерных реакциях в расчёте на один нуклон, превышает удельную энергию, выделяющуюся при цепных реакциях деления ядер. Так при слиянии тяжелого водорода – дейтерия - со сверхтяжёлым изотопом – тритием – выделяется около 3,5 МэВ на один нуклон. При делении же урана выделяется примерно 1 МэВ энергии на один нуклон.

Термоядерные реакции играют решающую роль в эволюции Вселенной. Энергия излучения Солнца и других звёзд имеет термоядерное происхождение.

По современным представлениям на ранней стадии развития звезды она в основном состоит из водорода. Температура внутри звезды столь велика, что в ней протекают реакции слияния протонов с образованием гелия.

При слиянии ядер гелия образуются более тяжелые элементы. Термоядерные реакции играют решающую роль в эволюции химического состава вещества во Вселенной.

Осуществление термоядерных реакций на Земле сулит человечеству новый, практически неисчерпаемый источник энергии.

На сегодняшний день удалось осуществить лишь неуправляемую реакцию синтеза взрывного типа в водородной (или термоядерной) бомбе.

Применение ядерной энергии Применение ядерной энергии для преобразования её в электрическую было осуществлено в 1954 г. В городе Обнинске была введена в действие первая АЭС.

Ядерные реакторы устанавливаются на атомных подводных лодках и ледоколах.