Роль химии в становлении современной физической картины мира

ПРИБРЕЖНЕНСКИЙ АГРАРНЫЙ КОЛЛЕДЖ

Реферат по физике на тему:

Роль химии в становлении современной физической картины мира

                                                                    Выполнил

                                                                                         Студент 1 курса  16 гр.

                                                                                 Ревтов Александр

Роль химии в становлении современной физической картины мира

     Химия испытывает на себе влияние физики, пожалуй, сильней, чем любая другая наука. Когда-то, в свои младенческие годы, когда химия почти целиком сводилась к тому, что мы сейчас называем неорганической химией (т. е. химии веществ, не связанных с живыми телами), когда кропотливым трудом химиков открывались многие химические элементы, их связь друг с другом, изучались их соединения, анализировался состав почвы и минералов, в те годы химия сыграла важную роль в становлении физики. Эти науки взаимодействовали очень сильно: вся теория атомного строения вещества получила основательную поддержку в химическом эксперименте. Химическую теорию, т. е. теорию самих реакций, подытожила периодическая система Менделеева. Она выявила немало удивительных связей между разными элементами — стало ясно, что с чем и как соединяется; все эти правила составили неорганическую химию. Сами они в свою очередь были в конечном счете объяснены квантовой механикой. Стало быть, на самом деле теоретическая химия — это физика. Однако объяснение, даваемое квантовой механикой, — это все-таки объяснение в принципе. Мы уже говорили, что знание шахматных правил — это одно, а умение играть — совсем другое. Можно знать правила, а играть неважно. Точно так же очень и очень непросто точно предсказать, что произойдет в такой-то химической реакции. И все же в самых глубинах теоретической химии лежит квантовая механика.

     Есть к тому же ветвь физики и химии, и очень важная ветвь, к которой они обе приложили руки. Речь идет о применении статистики к тем случаям, когда действуют законы механики, т. е. о статистической механике. В любой химической реакции действует много атомов, а движения их случайны и замысловаты. Если бы мы могли проанализировать каждое столкновение, подробно проследить движение каждой молекулы, то мы бы всегда знали, что случится. Но нужно так много чисел, чтобы отметить путь всех молекул, что никакой емкости вычислительной машины и уж во всяком случае емкости мозга не хватит. Значит, важно научиться работать с такими сложными системами. Статистическая механика, кроме того, лежит в основе теории тепловых явлений, или термодинамики.

    В наше время неорганическая химия как наука свелась в основном к физической и квантовой химии; первая изучает скорости реакций и прочие их детали (как попадает молекула в молекулу, какая из частей молекулы оторвется первой и т. д.), а вторая помогает понимать происходящее на языке физических законов.

    Другая ветвь химии — органическая химия, химия веществ, связанных с жизненными процессами. Одно время думали, что подобные вещества столь необыкновенны, что их не изготовишь своими руками из неорганических веществ. Но это оказалось не так: органические вещества отличаются от неорганических только большей сложностью расположения атомов. Органическая химия, естественно, тесно связана с биологией, снабжающей ее веществами, и с промышленностью; далее, многое из физической химии и квантовой механики столь же приложимо к органическим соединениям, как и к неорганическим. Впрочем, главные задачи органической химии вовсе не в этом, а в анализе и синтезе веществ, образуемых в биологических системах, в живых телах. Отсюда можно постепенно перейти к биохимии и к самой биологии, т. е. к молекулярной биологии.

     Физическая картина мира в узком смысле этого слова – это система фундаментальных конструкторов, характеризующих основные свойства физической реальности (пространства, время, вещество, поле, вакуум) связи между которыми представлены физическими принципами.

Молекулярно-кинетическая концепция.

     Важная мировоззренческая идея единства небесного и земного, которую мы встречаем уже в работах Галилея и Ньютона, всё в большей мере побуждала применять фундаментальные образы механической картины мира к самым различным явлениям, непосредственно окружавшие человека. В XIX веке новый принципиально важный этап в развитии механической картины мира оказался связан с применением её основных представлений к созданию теории, объясняющей свойства газов, а затем жидкости и твёрдых тел.

Основные этапы развития знаний о свойстве газов:

    В 1643 году Э. Торричелли обнаружил, что ртуть в запаянной сверху стеклянной трубке, опущенной другим концом в сосуд с ртутью, устанавливается на высоте 46см; он дал правильное толкование этого явления: давление воздуха уравновешивается весом столбика ртуть. В результате этого открытия наука получила прибор для измерения давления.

   Почти через 20 лет Р. Бойль установил, что при уменьшении объёма газа в замкнутом сосуде давление соответственно возрастает, при увеличении – уменьшается. Это означало, что произведение давления газа на его объём есть величина постоянная (для данной массы газа при постоянно температуре).

    В 1787 году Ж. Шарль экспериментально доказал, что в замкнутом сосуде с изменением температуры на один градус давление газа изменяется на ¹/₂₇₃ первоначального, т.е. изменяется по линейному закону.

    Через 14 лет Ж. Гей-Люссак определил опытным путём, что объём данной массы газа меняется линейно с изменением температуры (при постоянном давление).

    В ходе этих эмпирических исследований перед учёными вырисовывалась целая область      своеобразных явлений, в которых центральную роль играли свойства и отношения, выражаемые понятия «давление», «температура», «объём». Чтобы перейти от суммы частных эмпирических законов к общей теории поведения газа, необходимо было либо найти возможность ввести теоретические представления механики с их центральными понятиями движущихся материальных точек, либо найти другие, специфичные для данных фундаментальные образы. Последние означало, что для теоретического объяснения свойств газов необходима физическая картина мира, отличающаяся от механической.

    Исследования на теоретическом уровне создали предпосылки для объединения найденных ранее разрозненных эмпирических законов поведение газов. Опираясь на идеи и метод С. Карно,  Б. Клайперон, в 1834 году объединил законы Бойля-Мариотта, Гей-Люссака и Шарля: произведение объёма газа на давление пропорционально абсолютной температуре. Найденные ранее эмпирические законы можно было вывести из объединенного закона как его частные случаи и, кроме того, он отражал тот существенный для практики случай, когда одновременно применяются все три параметра – давление, объём и температура. Это был важный, но пока ещё формальный шаг, так как Б. Клайперон не имел адекватных представлений о природе теплоты, придерживался теории теплорода и не пользовался ни какими представлениями о природе газа, с помощью которого можно было бы объяснить законы его поведения.

   Следующий шаг – превращение термодинамики в относительно завершённую физическую теорию -во многом связан с именем В.Томсона и Р. Клаузиуса. В серии работ 50-х годов они чётко сформулировали два фундаментальных принципа термодинамики, уточним и развили систему основных её понятий. В связи со вторым принципом термодинамики было введено понятие энтропии, важнейшей наряду с энергией характеристикой термодинамической процессов.                  

     Принципы термодинамики понимались её творцами как неограниченно всеобщие, пригодные для понимания всех процессов в мире. Однако отождествление термодинамической картины с общей физической картиной мира рождало парадоксальный вывод о так называемой тепловой смерти Вселенной. Парадокс состоял в том, что из второго принципа термодинамики, который подтверждался всеми исследованиями термодинамических процессов, с неизбежностью, казалось бы,  следовал вывод, что с течением времени разность температур между телами во Вселенной должна исчезнуть и тогда наступит состояние теплового равновесия, равносильное смерти, так как динамические процессы, порождающие и поддерживающие сложноорганизованные системы, основаны на разности температур, возможности производить работу.

     Представление так называемой аксиоматической (то есть формально построенной на основе двух основных постулатов) термодинамики не могут претендовать на роль первичных базисных даже в своей области, а тем более в теоретическом осмысление всех процессов Вселенной.

    Основополагающие работы в области  молекулярно-кинетической теории теплоты принадлежат Клаузиусу. Это общий метод построения объясняющих теоретических моделей для газов, жидкостей твёрдых тел, на изображении в виде системы большого числа движущихся и взаимодействующих материальных точек, отождествленных с атомами и молекулами. Он вводил более сложные представления о формах движения молекул: кроме поступательного движения они обладают вращением, могут испытывать колебание относительно положение равновесия в твёрдом теле, каждая молекула обладает и внутренними движениями. В газе все направления движения равновероятны, однако Клаузиус, как отмечал позже Дж. К. Максвелл, «не определить, равны ли скоростивсех молекул одного и того же газа или, если они не равны, то имеет ли какой-нибудь закон их распределения». Как и Крёнинг, Клаузиус в своих расчётах условно приписывал всем молекулам одинаковое значение скорости, соответствующее среднему статистическому.

     Вопросы о характере движения молекул, а вместе с тем о специфике детерминизма в области молекулярного движения были глубоко разработаны Дж. К. Максвеллом. «…распределяя молекулы по группам согласно их скорости, мы можем заменить невыполнимую задачу наблюдения всех столкновений отдельной молекулы регистрацией увеличения или уменьшения числа молекул в различных группах. Следуя этому методу, - единственно возможному с точки зрения экспериментальной, так и математической мы переходим от строго динамических методов к методам статистики и теории вероятности». При этом Дж. К. Масксвелл опирался на следующее важное утверждение: хотя скорость каждой молекулы будет существенно меняться при каждом её столкновении с другой, число молекул, входящих в ту или иную группу, будет стабильным. А это и означало, что прослеживать «судьбу» каждойотдельной молекулы нет необходимости, даже если бы это было технически возможно.

     Только переход к более последовательной системно согласованной трактовке статистического характера законов движения молекул газа позволили получить результаты, согласующиеся со всеми экспериментами.