Равновесное тепловое излучение и его законы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Равновесное тепловое излучение. Законы равновесного теплового излучения

Спектр равновесного излучения описывается формулой Планка, которая играет огромную роль в теоретической физике. Известно, что Планк предложил два варианта формулы [1,2] - для шкалы частот и для шкалы длин волн. Поразительно, но эти два варианта, описывающие спектр одного и того же излучения, дают не согласующиеся между собой положения максимума спектральной кривой. Если сопоставить эти два максимума на шкале длин волн, то они различаются почти в два раза. Элементарная логика подсказывает, что оба настолько различных положения максимума не могут подтверждаться экспериментом. И, действительно, измерения подтверждают лишь один вариант формулы Планка - для шкалы длин волн. Теоретики же предпочитают работать с частотным вариантом формулы Планка, который противоречит опыту.

Эта «двойная бухгалтерия» - не единственная проблема в теории равновесного излучения. Планк получил свою формулу на основе предположения о том, что равновесное излучение, которое, как известно, имеет сплошной спектр, излучается не непрерывно, а порциями - квантами энергии. В дальнейшем идею о квантах энергии использовали для объяснения линейчатых характеристических спектров атомов. И, наконец, в квантовой теории был сформулирован постулат: атом способен поглощать и излучать только такие кванты, которые соответствуют переходам между его стационарными уровнями энергии. Если этот постулат справедлив, то атомы никак не могут быть источниками равновесного излучения.

В самом деле, если атомы способны получать и отдавать порции энергии лишь из дискретного набора (к тому же эти наборы различны у атомов различных сортов), то они не могут обеспечить происхождение излучения, спектр которого сплошной. Подобие сплошного спектра могли бы дать густо расположенные уровни энергии, но такие уровни у атомов находятся не вблизи основного состояния, а, наоборот, вблизи порога ионизации. Из квантовой теории, с учётом расположения уровней энергии в атомах, следует невероятный вывод [3]: для того, чтобы атом поглотил или излучил инфракрасный квант, он должен иметь энергию возбуждения, соответствующую дальнему ультрафиолету. Это означает, что в огромном диапазоне температур - от самых низких до сотен тысяч градусов - атомы принципиально не могут быть в равновесии с равновесным излучением [3], а это противоречит термодинамике.

Выход мы видим в допущении того, что атомы всё-таки способны обмениваться квантами не только с энергиями, соответствующими переходам между стационарными уровнями, но и с любыми промежуточными энергиями. Тогда, насколько мы можем судить, приоткрывается тайна происхождения равновесного излучения.

Где расположен максимум спектра равновесного излучения?

Фотометрическими измерениями установлено, что максимум спектра равновесного излучения соответствует энергии 5kT (k - постоянная Больцмана, T - абсолютная температура). Экспериментальные кривые приведены, например, в [4,5].

Для исследования вопроса о том, как соотносятся с этим фактом тот и другой варианты формулы Планка, мы имеем право опустить в них постоянные множители и, оставив лишь функциональные зависимости, найти экстремумы у ?? - функции 

, (1)

где l - длина волны, h - постоянная Планка, c - скорость света, а также у n - функции



, (2)

Где n - частота. Используя как аналитические, так и графические методы, можно убедиться в том, что максимум ? - функции соответствует энергии примерно в 4.97kT, а максимум ? - функции соответствует энергии примерно в 2.82kT.

Вопрос о том, что подобное положение вещей является ненормальным, уже поднимался в литературе [6-8]. Но предложенный в этих статьях вариант решения не даёт максимума, соответствующего 5kT, поэтому в результате дискуссии был всего лишь сформулирован «ряд методологических замечаний» [9]. Смысл этих замечаний сводится, вкратце, к следующему: если рассчитывать одну и ту же физическую величину двумя различными методами, то неудивительно, что два получаемых результата отличаются друг от друга. Но ведь вопрос в другом: если из этих двух результатов лишь один подтверждается опытом, то не следует ли признать, что другой результат ошибочен?

Действительно, что имеют в виду, когда утверждают, что для формулы Планка имеет место «полное совпадение с экспериментом» [9]? Ведь экспериментально проверялся лишь ?? - вариант формулы Планка. Схема такой проверки, в самых общих чертах, такова. Излучение нагретого объекта направляют на фотоприёмник через монохроматор, прокалиброванный по длинам волн. Перестраивая монохроматор, перемещаются по спектру. Максимум сигнала с фотоприёмника соответствует максимуму спектра - и, по результатам калибровки монохроматора, определяют длину волны, на которую приходится этот максимум. Совпадает ли с ним максимум ? - варианта формулы Планка? Да, совпадает. Что же касается ? - варианта формулы Планка, то этот вариант не проверялся на опыте по простой причине: в требуемом для этого диапазоне все спектральные приборы работают с длинами волн, а не с частотами. О каком же «полном совпадении с экспериментом» может идти речь? О справедливости ? - варианта формулы Планка мы можем судить лишь теоретически: зная частоту ? _max, на которую приходится максимум ? - функции (2), можно рассчитать соответствующую длину волны, используя соотношение ??_max=c/? _max. Совпадает ли полученное таким образом расчётное положение максимума с экспериментальным значением? Нет, не совпадает. Таким образом, ? - вариант формулы Планка не подтверждён никакими измерениями, и, более того, рассчитанное на его основе положение максимума спектра противоречит опыту. Значит, следует признать, что ???-вариант формулы Планка, увы, ошибочен.

Именно этот вариант предпочитают использовать теоретики. Но, как выясняется, n---вариант формулы Планка является весьма шатким фундаментом для возведённых на нём многочисленных теоретических построений.

Равновесное излучение и стационарные уровни энергии в атомах

Равновесное излучение существует не само по себе: оно порождается веществом. Согласно основным принципам термодинамики, каждое тело с температурой выше абсолютного нуля участвует в радиационном теплообмене. В условиях равновесия спектр излучения совпадает со спектром теплового возбуждения тела. Этот спектр, как известно, сплошной, и он не зависит от сорта вещества; его вид определяется значением единственного параметра - температуры. Теория гласит: если два тела имеют одинаковые температуры, то это означает, что у них одинаковы спектры теплового возбуждения - в том числе, и по электронным степеням свободы.

Эти свойства равновесного излучения, как отмечалось выше, несовместимы с постулатом квантовой теории о способности атомов получать и отдавать порции энергии лишь из дискретного набора, соответствующего переходам между стационарными уровнями энергии - с учётом реального расположения этих уровней. Поскольку атомы различных сортов имеют индивидуальное расположение стационарных уровней, то их спектры теплового возбуждения электронных степеней свободы, в согласии с требованиями квантовой теории, принципиально не могут совпадать. Это означает, что атомы различных сортов принципиально не могут быть в тепловом равновесии друг с другом по электронным степеням свободы. Конечно же, этот вывод противоречит основным положениям термодинамики.

Похоже, это противоречие хорошо известно теоретикам: нам не удалось обнаружить в литературе даже намёка на то, что равновесное излучение может порождаться атомами, через электронное возбуждение. Но, пытаясь таким образом уйти от противоречия с термодинамикой, теоретики приходят к ещё большему противоречию с ней. Фактически, квантовая теория отказывает атомам в способности участвовать в равновесном радиационном теплообмене. Позвольте - если бы стала известна хотя бы одна субстанция с подобным свойством, то она оказалась бы счастливой находкой для конструкторов «вечных двигателей». А нас пытаются убедить в том, что такой находкой является не какая-то одна субстанция, а всё вещество на атомарном уровне организации. Мириться с такими глобальными противоречиями недопустимо - следует пересмотреть либо термодинамику, либо квантовую теорию.

Кроме этого противоречия, остаётся ещё проблема, связанная с происхождением равновесного излучения. Если оно порождается не атомами, то чем же? Нас уверяют, что за него ответственны молекулы. Действительно, при обычных температурах максимум равновесного излучения находится в инфракрасном диапазоне, в который и попадает излучение, соответствующее колебательным и вращательным степеням свободы молекул. Но, во-первых, колебательные и вращательные спектры, опять же, линейчатые, а не сплошные. Во-вторых, эти спектры отнюдь не сдвигаются в видимый диапазон при таком повышении температуры излучающего тела, когда оно, раскалённое, светится. Значит, колебательно-вращательное возбуждение молекул не может быть ответственно за равновесное излучение, и проблема с его происхождением остаётся нерешённой.

Вспомним, как Лорентц объяснял происхождение теплового излучения нагретого куска металла [10]. Он полагал, что тепловая радиация является результатом классического излучения из-за ускорений свободных электронов в металле при их соударениях с атомами решётки, причём частотный спектр этих соударений даёт результирующий спектр тепловой радиации. Не будем останавливаться на том, что концепция газа свободных электронов в металлах является спорной (см., например, [11]). Укажем лишь то, что признавал сам Лорентц: его теория тепловой радиации не работает для случая коротких длин волн, и, кроме того, неясно, «как распространить её не такие тела, как например кусок стекла, где мы вряд ли можем допустить наличие свободных электронов» [10]. Предположение о том, что равновесное излучение порождается тепловыми колебаниями атомной решётки, также оказывается несостоятельным. В самом деле, во-первых, это предположение могло бы иметь смысл лишь для решёток с разделёнными электрическими зарядами - например, для ионных кристаллов. Во-вторых, при повышении температуры не происходит сдвига спектра тепловых колебаний в сторону коротких длин волн - дело ограничивается увеличением амплитуды колебаний, о котором свидетельствует тепловое расширение тел. Как можно видеть, модели не-квантового происхождения равновесного излучения имеют два характерных недостатка: они применимы лишь для какого-нибудь одного типа излучающих тел и, кроме того, они не работают для случаев повышенных температур.

Таким образом, следует согласиться с тем, что происхождение равновесного излучения является квантовым. Но заметим, что равновесное излучение не может порождаться такими способами генерации квантов, которые известны из физики твёрдого тела - переходами электронов через запрещённую энергетическую щель, рекомбинацией электронов и дырок, и т.п. Дело в том, что расположение энергетических зон различно у различных материалов, поэтому и соответствующее излучение является характеристическим; равновесное же излучение одинаково для всех материалов.

Наконец, следует упомянуть о том, что газы, даже одноатомные, в условиях электрического разряда при достаточно высоком давлении излучают сплошной спектр. Впрочем, сплошной спектр дают сжатые раскалённые газы и без электрического разряда. Эти факты свидетельствуют о том, что атомы, вопреки квантовой теории, всё-таки способны излучать сплошной спектр. Поэтому атомы, на наш взгляд, вполне могут считаться кандидатами на роль генераторов равновесного излучения.

Действительно, чтобы с минимальными потерями распутать клубок вышеописанных противоречий, достаточно признать, что постулат квантовой теории - о способности атомов поглощать и излучать кванты лишь с дискретными энергиями - является слишком радикальным. На наш взгляд, вполне разумно допустить, что атомы способны принимать и отдавать не только резонансные кванты, но и нерезонансные.

Прежде чем сформулировать выводы, перечислим некоторые факты, которые свидетельствуют в пользу нашего допущения.

Поглощение-излучение атомами нерезонансных квантов.

Хорошо известно, что в прозрачных средах, не имеющих сплошного спектра излучения-поглощения, например, в газах при достаточно низких давлениях и температурах, показатель преломления для излучения, не попадающего на линии поглощения, всегда больше единицы. Этот факт, конечно, не доказывает поглощения-излучения атомами нерезонансных квантов. Он говорит о том, что даже для нерезонансных квантов среда не ведёт себя подобно вакууму: какое-то взаимодействие нерезонансных квантов с атомами имеет место.

Впрочем, известны и другие факты. Так, облучение многих веществ нерезонансным ультрафиолетовым излучением вызывает флуоресценцию - на длине волны, соответствующей разности между энергией ультрафиолетового возбуждения и энергией ближайшего нижерасположенного стационарного уровня. Трудно объяснить этот факт, если не допустить, что нерезонансные ультрафиолетовые кванты поглощаются атомами. Кстати, широкополосная оптическая накачка также основана на поглощении нерезонансных квантов - с энергиями, немного превышающими энергию накачиваемого уровня.

Наконец, в современной лазерной спектроскопии активно развиваются направления, в которых поглощение-излучение атомами нерезонансных квантов рассматривается уже как нечто само собой разумеющееся. Речь идёт о генерации суммарной частоты, а также о разнообразных методиках многофотонной спектроскопии (см. обзорную монографию [12]). В физическом жаргоне появился термин «виртуальный уровень» - это на нём, на виртуальном уровне, оказывается атом при поглощении нерезонансного кванта.

Несмотря на эти успехи экспериментаторов, никто официально не отменил запрета квантовой теории на поглощение-излучение атомами нерезонансных квантов.

О происхождении равновесного излучения

Учитывая вышеизложенное, мы имеем веские основания полагать, что именно атомы являются генераторами равновесного излучения. На наш взгляд, термически равновесный ансамбль атомов имеет равновесное тепловое возбуждение электронных степеней свободы. Это означает, что атомы имеют динамически равновесное распределение по виртуальным уровням, которые без промежутков заполняют зоны между стационарными уровнями. При обычных температурах равновесное распределение приходится на виртуальные уровни, которые расположены вблизи основного состояния. Но, по мере повышения температуры, возбуждаются виртуальные уровни, расположенные всё выше и выше. В рамках этой модели, излучаемый раскалённым телом свет генерируется при переходах в основное состояние с виртуальных уровней, энергии которых равны энергиям квантов видимого диапазона.

Такова, вкратце, наша модель происхождения равновесного излучения. Эта модель качественная, но она, по-видимому, впервые объясняет все три главных свойства равновесного спектра: во-первых, его сплошной характер, во-вторых, его универсальность, т.е. одинаковость для различных материалов, и, в-третьих, его сдвиг в коротковолновую область при повышении температуры. Заметим, что наша модель вполне согласуется с подходом Планка: он говорил о квантах именно со сплошным спектром энергий, а не с дискретным - хотя и не пояснил, чем такие кванты излучаются.

Если наша версия происхождения равновесного излучения верна, то можно сделать замечание по поводу «реликтового излучения» - космического равновесного излучения с температурой 2.7?? К и длиной волны в максимуме спектра примерно 1 мм. Согласно нашей модели, равновесное излучение существует лишь благодаря равновесному электронному возбуждению вещества, которым это излучение порождается. Устраните это вещество - и излучение перестроится под новые условия за время релаксации, которое на много порядков меньше, чем оценочный возраст Вселенной. Поэтому реликтовое излучение, на наш взгляд, не могло «медленно остывать», будучи ровесником Вселенной. Сам термин «реликтовое» неудачен, поскольку источник равновесного излучения должен существовать в реальном времени. Очень надеемся на то, что подлинный источник миллиметрового равновесного излучения будет вскоре установлен.

2. Растворы. Растворимость

равновесный излучение раствор биоэтика

Если в сосуд с водой поместить кристаллы поваренной соли, сахара или перманганата калия (марганцовки), то мы можем наблюдать, как количество твердого вещества постепенно уменьшается. При этом вода, в которую были добавлены кристаллы, приобретает новые свойства: у нее появляется соленый или сладкий вкус (в случае марганцовки появляется малиновая окраска), изменяется плотность, температура замерзания и т.д. Полученные жидкости уже нельзя назвать водой, даже если они неотличимы от воды по внешнему виду (как в случае с солью и сахаром). Это - растворы.

Растворы - однородная многокомпонентная система, состоящая из растворителя, растворённых веществ и продуктов их взаимодействия.

Растворы не отстаиваются и сохраняются все время однородными. Если раствор профильтровать через самый плотный фильтр, то ни соль, ни сахар, ни марганцевокислый калий не удается отделить от воды. Следовательно, эти вещества в воде раздроблены до наиболее мелких частиц - молекул. Молекулы могут опять собраться в кристаллы только тогда, когда мы выпарим воду. Таким образом, растворы - это молекулярныесмеси.

По агрегатному состоянию растворы могут быть жидкими (морская вода), газообразными (воздух) или твёрдыми (многие сплавы металлов). 
Размеры частиц в истинных растворах - менее 10 ^-9 м (порядка размеров молекул).

Любой раствор состоит из растворителя и растворенного вещества. В приведенных примерах растворителем является вода. Но не всегда обязательно вода является растворителем. Например, можно получить раствор воды в серной кислоте. Здесь растворителем будет кислота. Можно приготовить и растворы кислоты в воде.

Из двух или нескольких компонентов раствора растворителем является тот, который взят в большем количестве и имеет то же агрегатное состояние, что и раствор в целом.

** Существуют растворы не только жидкие, но и газовые и даже твердые. Например, воздух - раствор кислорода и еще нескольких газов в азоте. Сплавы металлов представляют собой твердые растворы металлов друг в друге. Газы, как мы уже знаем, способны растворяться в воде.

Давайте разберемся в том, как происходит растворение веществ. Для этого понаблюдаем, как растворяется добавленный в чай сахар. Если чай холодный, то сахар растворяется медленно. Наоборот, если чай горячий и размешивается ложечкой, то растворение происходит быстро.

Попадая в воду, молекулы сахара, находящиеся на поверхности кристаллов сахарного песка, образуют с молекулами воды донорно-акцепторные (водородные) связи. При этом с одной молекулой сахара связывается несколько молекул воды. Тепловое движение молекул воды заставляет связанные с ними молекулы сахара отрываться от кристалла и переходить в толщу молекул растворителя (рис. 1).

Рис. 1. Молекулы сахара (белые кружочки), находящиеся на поверхности кристалла сахара, окружены молекулами воды (темные кружочки). Между молекулами сахара и воды возникают водородные связи, благодаря которым молекулы сахара отрываются от поверхности кристалла. Молекулы воды, не связанные с молекулами сахара, на рисунке не показаны.

Молекулы сахара, перешедшие из кристалла в раствор, могут передвигаться по всему объему раствора вместе с молекулами воды благодаря тепловому движению. Это явление называется диффузией. Диффузия происходит медленно, поэтому около поверхности кристаллов находится избыток уже оторванных от кристалла, но еще не диффундировавших в раствор молекул сахара.

Они мешают новым молекулам воды подойти к поверхности кристалла, чтобы связаться с его молекулами водородными связями. Если раствор перемешивать, то диффузия происходит интенсивнее и растворение сахара идет быстрее. Молекулы сахара распределяются равномерно и раствор становится одинаково сладким по всему объему.

Количество молекул, способных перейти в раствор, часто ограничено. Молекулы вещества не только покидают кристалл, но и вновь присоединяются к кристаллу из раствора. Пока кристаллов относительно немного, больше молекул переходит в раствор, чем возвращается из него - идет растворение. Но если растворитель находится в контакте с большим количеством кристаллов, то число уходящих и возвращающихся молекул становится одинаковым и для внешнего наблюдателя растворение прекращается.

Ненасыщенные, насыщенные и перенасыщенные растворы

Если молекулярные или ионные частицы, распределённые в жидком растворе присутствуют в нём в таком количестве, что при данных условиях не происходит дальнейшего растворения вещества, раствор называется насыщенным. (Например, если поместить 50 г. NaCl в 100 г. H ₂ O, то при 20C растворится только 36 г. соли).

Насыщенным называется раствор, который находится в динамическом равновесии с избытком растворённого вещества.

Поместив в 100 г. воды при 20C меньше 36 г. NaCl мы получим ненасыщенный раствор.

При нагревании смеси соли с водой до 100C произойдёт растворение 39,8 г NaCl в 100 г. воды. Если теперь удалить из раствора нерастворившуюся соль, а раствор осторожно охладить до 20C, избыточное количество соли не всегда выпадает в осадок. В этом случае мы имеем дело с перенасыщенным раствором. Перенасыщенные растворы очень неустойчивы. Помешивание, встряхивание, добавление крупинок соли может вызвать кристаллизацию избытка соли и переход в насыщенное устойчивое состояние.

Ненасыщенный раствор - раствор, содержащий меньше вещества, чем в насыщенном.

Перенасыщенный раствор - раствор, содержащий больше вещества, чем в насыщенном.

Растворение как физико-химический процесс

Растворы образуются при взаимодействии растворителя и растворённого вещества. Процесс взаимодействия растворителя и растворённого вещества называется сольватацией (если растворителем является вода - гидратацией).

Растворение протекает с образованием различных по форме и прочности продуктов - гидратов. При этом участвуют силы как физической, так и химической природы. Процесс растворения вследствие такого рода взаимодействий компонентов сопровождается различными тепловыми явлениями.

Энергетической характеристикой растворения является теплота образования раствора, рассматриваемая как алгебраическая сумма тепловых эффектов всех эндо- и экзотермических стадий процесса. Наиболее значительными среди них являются:

- поглощающие тепло процессы - разрушение кристаллической решётки, разрывы химических связей в молекулах;

- выделяющие тепло процессы - образование продуктов взаимодействия растворённого вещества с растворителем (гидраты) и др.

Если энергия разрушения кристаллической решетки меньше энергии гидратации растворённого вещества, то растворение идёт с выделением теплоты (наблюдается разогревание).

Если энергия кристаллической решётки больше энергии гидратации, то растворение протекает с поглощением теплоты.

Растворимость

Растворимостью - называется способность вещества растворяться в том или ином растворителе. Мерой растворимости вещества при данных условиях является его содержание в насыщенном растворе.

Если в 100 г. воды растворяется более 10 г. вещества, то такое вещество называют хорошо растворимым. Если растворяется менее 1 г вещества - вещество малорастворимо. Наконец, вещество считают практически нерастворимым, если в раствор переходит менее 0,01 г. вещества. Абсолютно нерастворимых веществ не бывает.

Растворимость, выраженная при помощи массы вещества, которое может раствориться в 100 г. воды при данной температуре, называют также коэффициентом растворимости.

В качестве примера приведем растворимость (в граммах вещества на 100 г. воды при комнатной температуре) нескольких веществ: твердых, жидких и газообразных, среди которых многие имеют похожие химические формулы (таблица 1).

Таблица 1. Растворимость некоторых веществ в воде при комнатной температуре, растворимость большинства (но не всех!) твердых веществ с увеличением температуры увеличивается, а растворимость газов, наоборот, уменьшается. Это связано прежде всего с тем, что молекулы газов при тепловом движении способны покидать раствор гораздо легче, чем молекулы твердых веществ.

**Если измерять растворимость веществ при разных температурах, то обнаружится, что одни вещества заметно меняют свою растворимость в зависимости от температуры, другие - не очень сильно.

С помощью таких операций очищают вещества. Дело в том, что при охлаждении ненасыщенного раствора образуется насыщенный раствор, но насыщенный по основному веществу, которого больше всего, а не по примесям. Поэтому при охлаждении в осадок выпадает только чистое вещество, а примеси (вместе с частью вещества) остаются в растворе.

Чистые кристаллы отфильтровывают от охлажденного, загрязненного примесями раствора. Этот способ очистки называетсяПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЕЙ. Так очищают, например, многие лекарственные препараты.

Предельная растворимость многих веществ в воде (или в других растворителях) представляет собой постоянную величину, соответствующую концентрации насыщенного раствора при данной температуре. Она является качественной характеристикой растворимости и приводится в справочниках в граммах на 100 г. растворителя (при определённых условиях).

Растворимость зависит от природы растворяемого вещества и растворителя, температуры и давления.

Природа растворяемого вещества. Кристаллические вещества подразделяются на:

P - хорошо растворимые (более 1,0 г на 100 г. воды);

M - малорастворимые (0,1 г - 1,0 г на 100 г. воды);

Н - нерастворимые (менее 0,1 г на 100 г. воды).

Природа растворителя. При образовании раствора связи между частицами каждого из компонентов заменяются связями между частицами разных компонентов. Чтобы новые связи могли образоваться, компоненты раствора должны иметь однотипные связи, т.е. быть одной природы. Поэтому ионные вещества растворяются в полярных растворителях и плохо в неполярных, а молекулярные вещества - наоборот.

Влияние температуры. Если растворение вещества является экзотермическим процессом, то с повышением температуры его растворимость уменьшается (Например, Ca(OH) ₂ в воде) и наоборот. Для большинства солей характерно увеличение растворимости при нагревании.

Практически все газы растворяются с выделением тепла. Растворимость газов в жидкостях с повышением температуры уменьшается, а с понижением увеличивается.

Влияние давления. С повышением давления растворимость газов в жидкостях увеличивается, а с понижением уменьшается.

Концентрация растворов

Способы выражения концентрации растворов

Существуют различные способы выражения состава раствора. Наиболее часто используют массовую долю растворённого вещества, молярную и нормальную концентрацию.

Массовая доля растворённого вещества w _(B) - это безразмерная величина, равная отношению массы растворённого вещества к общей массе раствора m:

w _(B) = m _(B) / m

Молярная концентрация C _(B) показывает, сколько моль растворённого вещества содержится в 1 литре раствора.

C _(B) = n _(B) / V = m _(B) / (M _(B) * V),

где М _(B) - молярная масса растворенного вещества г/моль.

Концентрацию раствора можно выразить количеством молей растворённого вещества в 1000 г. растворителя. Такое выражение концентрации называют нормальностью раствора.

Нормальность раствора обозначает число грамм-эквивалентов данного вещества в одном литре раствора или число миллиграмм-эквивалентов в одном миллилитре раствора.

Растворы

Растворы. Растворами называются гомогенные (однородные) системы, содержащие не менее двух веществ. Т. е. могут существовать растворы твердых, жидких и газообразных веществ в жидких растворителях, а также однородные смеси (растворы) твердых, жидких и газообразных веществ. Наибольшее значение имеют жидкие смеси, в которых растворителем является жидкость.

Механизм образования растворов. Процесс растворения твердых веществ в жидкостях можно представить так: под влиянием растворителя от поверхности твердого вещества постепенно отрываются отдельные ионы или молекулы и равномерно распределяются по всему объему растворителя. Если растворитель соприкасается с большим количеством вещества, то через некоторое время раствор становится насыщенным. Таким образом, в процессе растворения частицы (ионы или молекулы) растворяемого вещества под действием хаотически движущихся частиц растворителя переходят в раствор, образуя качественно новую однородную систему.

Растворение веществ сопровождается тепловым эффектом: выделением, или поглощением теплоты - в зависимости от природы вещества. При растворении в воде, например, гидроксида калия, серной кислоты наблюдается сильное разогревание раствора, т.е. выделение теплоты, а при растворении нитрата аммония - сильное охлаждение раствора, т.е. поглощение теплоты. В первом случае осуществляется экзотермический процесс (D Н < 0), во втором - эндотермический (D H > 0).

В результате химического взаимодействия растворенного вещества с растворителем образуются соединения, которые называют сольватами (или гидратами, если растворителем является вода). Образование таких соединений роднит растворы с химическими соединениями.

Особенно склонны к гидратации (соединению с водой) ионы. Ионы присоединяют полярные молекулы воды, в результате образуются гидратированные ионы. Поэтому, например, в растворе ион меди (II) голубой, в безводном сульфате меди он бесцветный. Многие из таких соединений непрочны и легко разлагаются при выделении их в свободном виде, однако в ряде случаев образуются прочные соединения, которые можно легко выделить из раствора кристаллизацией. При этом выпадают кристаллы, содержащие молекулы воды.

Кристаллические вещества, содержащие молекулы воды, называются кристаллогидратами, а вода, входящая в состав кристаллогидратов, называется кристаллизационной. Кристаллогидратами являются многие природные минералы. Ряд веществ (в том числе и органические) получаются в чистом виде только в форме кристаллогидратов.

Таким образом, растворение - не только физический, но и химический процесс. Растворы образуются путем взаимодействия частиц растворенного вещества с частицами растворителя.



3. Биоэтика и поведение человека

Понятие биоэтики

Биоэтику (или сложные поведенческие программы, присущие животному миру) следует рассматривать как естественное обоснование человеческой морали. Ведь много признаков, присущих человеку, генетически обусловлено. И только часть человеческих черт обусловлена воспитанием, образованием и другими факторами внешней среды обитания. Поэтому суть эволюции составляет процесс передачи генов от поколения к поколению. Все человеческие действия - это его поведение. Хронометрия человеческого поведения показывает, в какой значительной степени биологично все наше поведение.

С помощью биоэтики можно ответить на вопрос о происхождении таких важнейших проявлений человеческого разума, как мораль и этика.

Отвечая на этот вопрос, следует учитывать, что этологи (специалисты по поведению животных) открыли у животных (и не только у высших) большой набор инстинктивных запретов, необходимых и полезных в общении с сородичами.

Так каковы же основные принципы биоэтики? По мнению выдающегося австрийского этолога Конрада Лоренца, это - создание естественным способом врожденного запрета выполнять обычные программы поведения в некоторых случаях возникающие при общении с себе подобными, т.е. полезный необходимый инстинкт остается неизменным (у хищника это загонять добычу, убивать ее, рвать на части и пр.), но для особых случаев, где его проявление было бы вредно, вводится специальный механизм торможения.

Запреты

Все запреты возникают под жестким давлением отбора ради выполнения задачи сохранения вида. К важнейшим из таких запретов относятся следующие.

«Не убей своего» - первый и основополагающий запрет у очень многих видов. Чтобы выполнить его, необходимо безошибочно узнавать своих, безошибочно отличать их от чужих.

Второй запрет непосредственно вытекает из первого - чтобы не убить своего и не быть убитым им, нельзя нападать неожиданно и сзади, без предупреждения и без проверки, нельзя ли разрешить возникший конфликт без схватки.

У хорошо вооруженных природой животных есть запреты применять смертоносное оружие или убийственный прием в драке со своими.

Следующий запрет, опять-таки более абсолютный у сильно вооруженных животных (в основном, хищников), не позволяет бить того, кто принял позу покорности.

И еще один очень важный принцип поведения, характерный для многих животных: победа с тем, кто прав.

Хотя социальные и нравственные аналогии в поведении некоторых животных известны давно, но выводы делаются различные и даже диаметрально противоположные. Этологи и их сторонники (К. Лоренц, Р. Ардри, Дж. Скотт и др.) считают, что человек произошел от животного мира и должен обладать всеми теми свойствами, которые присущи животным, включая и биологическую основу мотивации его агрессивного поведения, что человек бессилен против инстинктов собственной природы, которые неотвратимо приводят его к социальным конфликтам и борьбе. Ученые, стоящие на марксистских позиция (В. Холличер) утверждают, что человек далеко ушел от животного мира и обладает характерными, специфическими только для него чертами.

«Иерархия» потребностей человека

Безусловно, поведение человека не ограничивается врожденными животными программами. Ведь человек живет и действует, побуждаемый множеством потребностей.

А. Маслоу, один из ведущих психологов США в области исследования мотивации, разработал «иерархию» потребностей человека.

Физиологические потребности - это низшие, управляемые органами тела потребности: дыхательная, пищевая, сексуальная, потребность в самозащите.

Потребность в надежности - стремление к материальной надежности, здоровью, обеспечению по старости и т.п.

Социальные потребности - удовлетворение этой потребности не объективно и трудно описуемо. Одного человека удовлетворяют очень немногие контакты с другими людьми, в другом человеке эта потребность выражается очень сильно.

Потребность в осознании собственного достоинства - здесь речь идет об уважении, престиже, социальном успехе. Вряд ли эти потребности удовлетворятся отдельным лицом, для этого требуются группы.

Потребность в осуществлении самого себя - это потребность в развитии личности, в самореализации, самоактуализации, в осмыслении своего назначения в мире.

Маслоу отмечает, что нехватка благ, блокада базовых физиологических потребностей в еде, отдыхе, безопасности приводит к тому, что эти потребности могут стать для обычного человека ведущими - человек может жить хлебом единым, когда его не хватает. Но если базовые, первичные потребности удовлетворены, то у человека могут проявляться высшие потребности, метамотивации (потребности к развитию, к пониманию своей жизни, к поиску смысла своей жизни). Для многих людей присущи так называемые «неврозы существования», когда человек не понимает зачем живет, и страдает от этого.



Список использованной литературы

1) Демин В.Н. «Тайны Вселенной», «Наука», Москва, 1998 г.

2) Клечек Й. И Якеш П. «Вселенная и земля», «Артия», Прага, 1986 г. (издание на русском языке).

3) Кесарев В.В. «Эволюция вещества во Вселенной», «Атомиздат», Москва, 1989 г.

4) Левитан Е.П. «Эволюционирующая Вселенная», «Просвещение», Москва, 1993 г.

5) Марочник Л.С., Насельский П.Д. «Вселенная: вчера, сегодня, завтра», сборник «Космонавтика, астрономия», выпуск №2 за 1983

6) Нарликар Дж. «Неистовая Вселенная», издательство «Мир», Москва, 1985 г.

7) Новиков И.Д. «Эволюция Вселенной», 3 издание, «Наука», Москва, 1993 г.

8) «Большие проблемы Большого взрыва», журнал «Истоки», №1 за 1999 г. Лазерная спектроскопия. «Наука», М., 1985.

9) Потеев М.И. Концепции современного естествознания. - СПб.: Питер, 1999.

10) Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. - М.: Гардарики, 2000.

11) Солопов Е.Ф. Концепции современного естествознания. - Владос, 1998.

12) Аженов Г.П. О причине времени // Вопросы философии. - 1996. - №1.

13) Жаров А.М. Об эмпирическом и теоретическом обосновании одномерности времени // Вопросы философии. - 1968. - №7.

14) Потеев М.И. Концепции современного естествознания. - СПб.: Питер, 1999.

15) Пригожин И., Стенгерс И. Время, хаос, квант. - М.: Прогресс, 1994.

16) Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. - М.: Молодая гвардия, 1996.

17) Алексеев П.В., Панин А.В. Философия. Разд. III. - М.: ПБОЮЛ Грачев С.М., 2000.

18) Канке В.А. Основные философские направления и концепции науки. - М.: Логос, 2000.

19) Концепции современного естествознания. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2005.

20) Демин В.Н. «Тайны Вселенной», «Наука», Москва, 1998 г.

21) Клечек Й. И Якеш П. «Вселенная и земля», «Артия», Прага, 1986 г. (издание на русском языке).

22) Кесарев В.В. «Эволюция вещества во Вселенной», «Атомиздат», Москва, 1989 г.

23) Левитан Е.П. «Эволюционирующая Вселенная», «Просвещение», Москва, 1993 г.

24) Марочник Л.С., Насельский П.Д. «Вселенная: вчера, сегодня, завтра», сборник «Космонавтика, астрономия», выпуск №2 за 1983 г.

25) Нарликар Дж. «Неистовая Вселенная», издательство «Мир», Москва, 1985 г.

Размещено на Allbest.ru

...