 |
Современные проблемы термодинамики
|
|
|
|
Развитие физики и её приложений, в основном в области нанотехнологий связано с возрастанием интереса к изучению хаотических систем. Для таких систем в состоянии теплового равновесия или вблизи него существенны флуктуации физических величин. Нельзя сказать, что данный вопрос изучен полностью. Описание собственно термодинамических флуктуаций физических величин, характеризующих макросистему в тепловом равновесии или вблизи него, по существу отсутствует.
Существует два подхода к описанию термодинамических флуктуаций, это подход Гиббса и Эйнштейна. Анализ подходов позволяет получить следующие важные результаты:
) «В рамках подхода Гиббса сформулировано корректное определение давления и сжимаемости как квазидинамических величин, характеризующих макросистему с конечным объемом». На основании этих определений «построено обобщение теорем Боголюбова - Зубарева и Гельмана - Фейнмана, связывающее общее выражение для давления с конкретным видом функции Гамильтона или Гамильтона макросистемы».
) «В рамках подхода Эйнштейна предложен статистический метод вычисления корреляционных функций флуктуаций экстенсивных и интенсивных термодинамических параметров и способ установления связи между дисперсиями макропараметров, входящих в термодинамическое уравнение состояния».
Большое внимание в данном направлении физики уделялось описанию природы на микроуровне, сопоставление двух различных подходов дает возможность описания как на микроуровне, так и на макроуровне.
С бурным развитием нанотехнологий также связан большой интерес к исследованию кластеров и кластерных пучков. Кластеры - промежуточное звено между отдельными элементарными частицами и объемной жидкостью или твердым телом. Именно поэтому, актуальными становятся вопросы связанные с изучением кластерной температуры и методами её изменения, а также фазовые переходы в кластерах.
|
|
|
В настоящее время установлено, «что внутренняя температура кластеров является важной характеристикой, от которой зависят многие свойства кластеров, в том числе поляризуемость, магнитный момент, потенциал ионизации, оптический отклик, структура и конфигурация кластеров, фазовое состояние».
С помощью методов измерения температуры кластеров, к которым относятся дифракция электронов, регистрация равновесного излучения, измерение кинетической энергии фрагментов, образующихся при распаде кластеров, испарительное охлаждение и т.д. с хорошей точностью определяется значение кластерной температуры.
«Методы возбуждения кластеров (лазерное возбуждение, электронный удар и др.) позволяют получить кластеры, характеризующиеся высокой внутренней температурой (103-108К) и сформировать кластеры благородных газов и молекулярные кластеры с низкой температурой (10-3-102К)».
Получаемая в сопловых источниках верхняя предельная температура больших ван-дер-ваальсовых кластеров определяется энергией связи атомов в кластерах. Используя газ-носитель с низкой энергией связи, в сопловых источниках могут быть получены кластеры, которые имеют меньшую температуру, чем та, которая определяется энергией связи.
«Температура и теплота плавления кластеров уменьшаются с уменьшением их размера». Более высокую температуру и теплоту плавления имеют кластеры с полностью заполненной электронной оболочкой.
«Анализ результатов компьютерного моделирования кластеров методом молекулярной динамики при различных условиях дает детальное представление об эволюции кластера по мере изменения его температуры или энергии возбуждения».
|
|
|
Большое внимание уделяется изучению кластеров из 13 атомов, которые имеют одно твердое и одно жидкое агрегатное состояние. В результате моделирования таких кластеров (изолированных и изотермических) составлена простая модель характеризующая поведение кластера в области динамического сосуществования фаз. «Агрегатные состояния отвечают конфигурациям атомов в кластере, соответствующим локальным минимумам поверхности потенциальной энергии, а фазовый переход соответствует конфигурационному возбуждению кластера, связанного с переходом между локальными минимумами поверхности потенциальной энергии». Так же сейчас для таких кластеров проанализирована температурная зависимость энтропии перехода в области сосуществования фаз.
«Фазовый переход твердое тело - жидкость в кластерах сложный по сравнению с аналогичным переходом в макроскопическом веществе. Отличительными особенностями фазового перехода являются сосуществование твердой и жидкой фаз в некоторой разграниченной области температур и возможность сосуществования теплоёмкости кластера вблизи точки плавления».
В наши дни успешно разрабатывается такое направление, как синергетика Г.Хакена, относящееся к неклассической термодинамике. Это направление основывается на статистической физике и объединяет методы, идеи и модели из различных областей естествознания. Ученые пришли к выводу, что физический и динамический хаос, носит и разрушительный, и созидательный характер. «Необратимые процессы далеки от термодинамического равновесия и могут реализовываться через неравновесные фазовые переходы, нелинейные эффекты порядка и самоорганизации». «Синергетика направлена на изучение энергетических состояний, физики колебаний, волнообразования на микроуровне, определение базового характера эволюционного развития сложной структуры на макроуровне в космологии, физике, химии, биологии, математике».
Разбегание галактик, открытое Хабблом послужило толчком к рассмотрению открытой Вселенной. «Открытая вселенная развивается путем становления, неустойчивости, необратимости».
Человек, представляет собой сложную систему. «Движение внешних гармоник сущего, которые он может нарушить, а может и оптимизировать - жизнепоток природы». Природный жизнепоток - самонастраивающееся явление, синергическое». Иными словами, человек - сложная открытая саморегулирующаяся энергетическая система, тесно взаимодействующая с космической энергетикой всей Вселенной.
|
|
|
Ч - часть
Е- энергии
Л - Любови
О - Отца
В - Высшего,
Е - эволюционирующая (в)
К - Космосе.
Современное естествознание, развивается на основе термодинамики и синергетики открытых систем. «Ближайшая перспектива исследований образований во Вселенной сводится к установлению их энергетической взаимосвязи с неорганической и биологической микро- и макроструктурой на Земле, выявлению значимости человека в ноосфере». Интересным в данное время является так же вопрос изучения синергетических эффектов, примером может служить - эффект деформационного отклика термодинамических открытых систем металл-водород. Появление синергетики оказывает влияние не только на физические науки, но и «позволило сформулировать постнеклассическую парадигму науки» в философии.
Заключение
В данной работе были рассмотрены два метода используемые в термодинамики, которые так же применимы к исследованию диаграмм рабочего процесса, это статистический и термодинамический методы. Статистический метод опирается на теоретические обоснования, на математические выводы, термодинамический основывается на проведение опытов, экспериментов. При использовании двух методов исследователь получает наиболее ясную, точную, достоверную и полную картину исследуемого явления или процесса, с уверенность можно сказать, что эти методы взаимно дополняют друг друга. К сожалению маловероятно, что одному ученому придется воспользоваться обоими методами, так как над решением какой-либо одной физической проблемы трудятся целые коллективы ученых и нередко их труд продолжается многие годы. Один коллектив начинает работу по какой-то проблеме, проводит эксперименты, затем через несколько лет или даже через несколько десятилетий другие ученые подкрепляют полученный практикой материал теоретическими выводами, то есть дают ему теоретическое обоснование и т.д.
|
|
|
Также рассмотрены основные понятия термодинамики, без которых трудно вникнуть в суть рассмотренных методов. Изучена история развития термодинамики и молекулярной физики и актуальные проблемы физической теории, имеющие непосредственное отношение к термодинамике. При рассмотрении история развития данной отрасли физики в основном уделялось внимание ключевым и наиболее важным моментам. В работе показано построение термодинамики на основе метода предложенного Кантом. Кантом была предложена методология, которая применялась к механике, сейчас появляются работы, в которых показывается применимость кантовской методологии к другим отраслям физики. Проанализировав статьи, касающиеся современных проблем термодинамики, можно сделать вывод, что этот раздел физики неразрывно связан с другими, например, такими как наноинженерия, физика твердого тела и т.д.
В результате работы над рефератом я ознакомилась с философско-методологическими аспектами, касающимися тематики моего будущего исследования.
Список литературы
1. Базаров И.П. «Термодинамика». М.: Высшая школа,1991,376 стр.
. Бэкон. Ф. «Новый органон (Первый сбор плодов для формы теплоты)»- электронная версия.
3. Василевский А.С., Мултановский В.В. «Статистическая физика и термодинамика»: Учебное пособие для студентов физ.-мат. фак. пед. ин-тов.-М.:Прочвещение,1985.-256с,ил.
4. Гельфер Я.М. «История и методология термодинамики и статистической физики»: Учеб. пособие.-2-е изд.перераб. и доп.-М.:Высшая школа,1981.-536с,ил.
. Грязнов А.Ю. «Кантианская методология и основания термодинамики» - электронная версия.
6. Декарт Р. Сочинения. «Мир, или трактат о свете» - электронная версия.
. Журнал «Вопросы философии» №1, 1990. Философия и наука, Мигдал А.Б. Физика и философия. с. 5-32.
. Журнал «Успехи физических наук». Том 170,№12,с-1291 Ю.Г.Рудой, А.Д.Суханов. Термодинамические флуктуации в подходах Гиббса и Эйнштейна.
9. Журнал «Успехи физических наук».Том179,№2 Р.С.Берри, Б.М.Смирнов. Фазовые переходы в кластерах различных типов. Ж. «Успехи физических наук».
10. Журнал «Успехи физических наук».Том180,№2 Г.Н.Макаров. Экспериментальные методы определения температуры и теплоты плавления кластеров и наночастиц.
. Зайцев А.К. Школа развития творческих возможностей - электронная версия.
. Зайцев А.К. - Философия ведической цивилизации. - Калуга:ИД «Эйдос»,2005-308с.
. Зайцев А.К. - Философия космического сознания - Калуга, 2001-электронная версия
|
|
|
14. Кириллин В.А Сычев В.В Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. 4-е изд. - М.: Энергоатомиздат. - 1983. - 414 с.
15. Козлов В. В. Ансамбли Гиббса и неравновесная статистическая механика. -Москва-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», Институт компьютерных исследований, 2008. - 204 с.
16. Кремер Н.Ш. Теория вероятности и математическая статистика: Учебник для вузов. - 2-е изд.,перераб. и доп.-М.:ЮНИТИДАНА,2004.-573 с.
17. Кудрявцев И.С. «Курс истории физики» (электронная версия книги).
18. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. «Статистическая физика» в двух частях. -М.:ФИЗМАТЛИТ,2004.-496с.
. Новая российская энциклопедия. в 18 томах, М.: ООО «Издательство «Энциклопедия» 2012-480с. ил.том 10(2)с-327)
20. Основные законы термодинамики. Н. Шиллера. - электронная версия
21. Поспелова О.В., Янковская Е.А. «Философия и методология науки». Учебное пособие для аспирантов. Архангельск, 2012.
. Сапожников С.З.,Китанин Э.Л. Техническая термодинамика и теплопередача. Учебник для вузов. СПб.:Изд-во СПбГТУ, 1999, 319с.
23. Кузьмич В.Д., Бородулин И.П. «Тепловозы: Основы теории и конструкции», 2-е изд., перераб. и доп.-М.: Транспорт, 1991.-352 с.
. Скородумов В.Ф.,Шепелев А.В. «Молекулярная физика и термодинамика», - Москва, 2006,49с.
25. Современные наукоемкие технологии №4,2008. В.В.Вапняр. Актуальные проблемы термодинамики и синергетики открытых систем в современном естествознании.
26. Спасский Б.И. «История физики», в двух частях, Учебное пособие для вузов. Изд. 2-е,перераб. и доп. М, Высш. Школа,1977.
27. Степин В.С. «Теоретическое знание». Москва, 1999
. Томпсон М. «Философия науки» - Пер. с англ. А. Гарькавого. - М.: ФАИР-ПРЕСС, 2003. - 304 с. - (Грандиозный мир)
. Трофимова Т.И. Курс физики: учебное пособие для вузов - 11-е изд.,стер.-М.:Издательский центр «Академия»,2006.-560с.
30. Хвольсон О.Д. Курс физики Том третий, избранное: Теплота и начала термодинамики Издание К.Л. Риккера, 1897
31. Электронный ресурс- http://www.kaf9.mephi.ru/thermodynamics/textbook/files/P_1_1.htm
32. Электронный ресурс - http://www.mpf.uni-altai.ru/?page=900(молекулярная физика)
. Электронный ресурс - http:/ru/Wikipedia.org/wiki/Рабочее_тело
|
|
|
