11650 (596873), страница 3
Текст из файла (страница 3)
22. Связь между энтропией и информацией.
Информация – центральное понятие кибернетики.
• одна из сущностей мира (материя - дух - информация);
• философская категория;
• всеобщее свойство материи;
• сведения, которыми обменивается система;
• система знаков;
• мера свободы чьего-либо выбора, логарифм доступных выборов.
Информационная энтропия – мера неполноты информации о внутренней структуре системы.
Теорема Шеннона - (касается передачи сигнала при наличии помех, приводящих к искажениям), возможность восстановления сигнала зависит от скорости его передачи, при скорости выше критической сигнал не может быть восстановлен.
Лекция 8. Современные взгляды на устройство и происхождение Вселенной.
23.Гипотезы образования Вселенной.
1) Больцман – флуктуационная гипотеза: на фоне всеобщей тепловой смерти появляются и существуют отдельные миры.
2) Фридман А.А. – Вселенная должна изменяться со временем: расширяться, сжиматься, либо пульсировать.
3) Сахаров А.Д. – до рождения Вселенной была антивселенная, которая сжалась в сингулярность.
4) Бонди, Голд, Хойл (Кэмбридж) – гипотеза «стационарной Вселенной» – идея непрерывного творения материи.
5) В настоящее время наиболее популярны две гипотезы: Большой Взрыв Г.Гамова и инфляционная модель Линде и Гута. Отличаются до 10–30 секунд наличием во второй модели стадии инфляции (раздувания).
Хаббл обнаружил «разбегание» галактик - расширение Вселенной в настоящее время. Фотометрический парадокс – Ж.Шеро - при бесконечности Вселенной небо должно быть освещено равномерно.
Время существования Вселенной – 13-20 млрд лет.
Галактики - спиральные, эллиптические, неправильные. Наша Галактика - Млечный путь. Квазары – ядра галактик в состоянии активности. Черные дыры- звезды, которые в результате гравитационного коллапса сжались до такой плотности, что даже излучение не может выйти наружу.
Лекция 9. Химические процессы
Периодический закон Д.И.Менделеева и строение атомов.
Открыт в 1869 г., в то время в таблице было 62 элемента. Свойства элементов находятся в периодической зависимости от заряда их атомных ядер. Штарк – ввел понятие валентности, связав его с числом электронов на внешнем энергетическом уровне.
Гайтлер и Лондон – предложили модель электронного облака вокруг ядра.
Эрнест Резерфорд предложил ядерную (планетарную) модель атома: в ядре протоны 11p (положительно заряженные частицы) и нейтроны 01n (незаряженные частицы). Вокруг ядра вращаются отрицательно заряженные частицы – электроны. Число протонов равно числу электронов и равно номеру элемента в периодической таблице.
Изотопы – совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра.
Место и роль химии в современной цивилизации.
Основные понятия химии:
1)Молекула – мельчайшая частица вещества, сохраняющая его индивидуальные свойства. Молекулы состоят из атомов, связанных химическими связями. Расстояние между атомами в молекуле 1 – 4 ангстрема (1A=10–10м). В настоящее время молекулы, макромолекулы, монокристаллы и другие квантово-механические системы относятся к химическим соединениям. Известно около 8 млн. химических соединений, 96% из них – органические.
2)Типы химических связей:
-ионная (один атом отдает другому один или 2 электрона), например, NaCl;
-ковалентная (возникает обобществленная пара электронов), например, Si, H2;
-водородная (атом Н соединен ковалентной связью с другим атомом так, что его водородная часть оказывается положительной и соединенной с третьим атомом) – самая слабая, но наиболее распространенная в природе.
3)Принцип Ле-Шателье: внешнее воздействие, которое выводит систему из состояния термодинамического равновесия, вызывает в ней процессы, направленные на ослабление такого влияния (это пример отрицательной ОС).
4)Валентность – число электронов на внешнем уровне.
5)Химические реакции – образование новых соединений из реагентов.
Время реакции – примерно 1 фс (фемтосекунда) = 10–15с.
- экзотермические – с выделением энергии,
- эндотермические – с поглощением энергии,
- для начала химической реакции необходима энергия активации;
- фотохимические реакции – под действием света;
- цепные реакции, которые раз начавшись, продолжаются до полного завершения (например, фотохимическая цепная реакция:
Cl + H2 HCl + H,
H + Cl2 HCl + Cl, и т.д. )
- катализаторы (и ингибиторы) – вещества, изменяющие скорость химических реакций, энергию активации стараются снизить с помощью катализаторов;
- самопроизвольные химические реакции происходят в направлении возрастания энтропии (S);
- химические реакции возможны, если они сопровождаются уменьшением свободной энергии (F = E – TS).
Особенность химии – она сама создает объект своей науки.
Фундаментальные основы современной химии:
- квантовая механика;
- атомная физика;
- термодинамика;
- статистическая физика;
- физическая кинетика.
Значение химии в современной цивилизации. Химия связана с:
• химической промышленностью;
• сельским хозяйством;
• фармакологией;
• пищевой промышленностью,
• производством СМС, лаков и красок.
Химия внедрилась в естественный круговорот веществ (например, ДДТ – дихлордифенилтрихлорметилметан- (ClC6H4)2CH-CCl3).
Концептуальные уровни современной химии.
Сложились 4 подхода к решению основной задачи – 4 концептуальных уровня химических знаний:
1. Учение о составе (17 – 19 в.в.) (Авогадро в 1811 г. ввел понятие «молекула» – микрочастица, способная к самостоятельному существованию)
2. Структурная химия (с 19 в.) (реакционная способность соединения зависит от химической активности отдельных фрагментов; хиральность – неодинаковость свойств веществ с левосторонней и правосторонней симметрией)
3. Учение о химических процессах (с 1950–х г.) (область взаимного проникновения химии, физики и биологии)
4. Эволюционная химия (с 1970–х г.) (поиск условий, при которых в процессе химических превращений происходит самосовершенствование катализаторов реакций; изучение самоорганизации химических систем, происходящей в живых клетках).
Основные направления современной химии. Химические процессы.
Химию принято разделять на пять разделов: неорганическая, органическая, физическая, аналитическая и химия высокомолекулярных соединений. Органическая химия – наиболее крупный раздел химии. Еще в 1910 г. С.В.Лебедев разработал промышленный способ получения бутадиена, а из него каучука.
В 1960-х годах было обнаружено самосовершенствование катализаторов в ходе химических реакций.
Основная задача современной химии – исследование генезиса (происхождения) свойств веществ и разработка методов получения веществ с заранее заданными свойствами.
А.Е. Арбузов: «Подражание живой природе есть химизм будущего». Основные направления биохимии - изучение биокатализа, установление структуры и синтез витаминов, белков, нуклеиновых кислот, антибиотиков и т.д.
Новые направления: химия экстремальных состояний (высокие температуры и давления), плазмохимия, элионные технологии – химические процессы в электрических полях.
Сущность химической эволюции.
В настоящее время открыты и получены на ускорителях 118 элементов.
6 из них - органогены (основные элементы биологических систем):
C, O, H, N, P, S. Их общая доля составляет ~ 97,4% в органических соединениях. 12 элементов – Na, K, Ca, Mg, Fe, Si, Al, Cl, Cu, Zn, Co, Mn ~ 1,6 %. Всего ~ 8 млн. химических соединений, из них только ~ 300 000 – неорганические соединения.
На Земле: O –47,0%, Si – 27,5%, Al – 8,8%, Fe – 4,6%, Ca –3,6%, Na - 2,6%, K –2,5%, Mg – 2,1%. С – на 16 месте. Весовая доля C, N, P, S – 0,24 %.
Таким образом, геохимические условия не сыграли существенной роли в отборе химических элементов для формирования органических систем.
Принципы отбора химических элементов:
1) способность образовывать прочные энергоемкие химические связи;
2) лабильность( изменчивость) образуемых химических связей.
Органоген №1 – углерод!
В биохимии особую роль играют три класса молекул мономеров:
Аминокислоты (мономеры белков), нуклеотиды (мономеры нуклеиновых кислот) и моносахариды (мономеры полисахаридов).
В организме человека синтезируются 12 аминокислот, 8 должны поступать с пищей. Из 100 известных аминокислот только 20 входят в состав белков.
Белок состоит из тысяч аминокислот и имеет сложную структуру.
Нуклеиновые кислоты – ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота) - самые крупные молекулы в живых организмах.
Роль воды в живой материи.
Вода имеет уникальные свойства:
- большие поверхностное натяжение и капиллярность (так как молекулы воды притягиваются друг к другу и к молекулам трубок);
- в воде растворяется больше веществ, чем в любом другом растворителе (растворяет полярные вещества);
- имеет высокие теплопроводность, температуру плавления и температуру кипения;
- имеет максимальную плотность при +4Со, при кристаллизации объем резко увеличивается;
- вода – среда, в которой происходят все биохимические реакции, и их участник. Жизнь зародилась в воде!
Лекция 10. Современные концепции развития геосферных оболочек
Внутреннее строение и история геологического развития земли.
Происхождение планет изучает космогония.
Гипотезы происхождения:
- небулярные (из тумана) - материя планет выброшена из недр Солнца ударом комет (Леклерк, Бюффон); из космического облака - хаоса - Кант;
- ротационная небулярная гипотеза (Кант-Лаплас): по мере вращения первичного Солнца от него отделялись газовые кольца, которые, разрываясь, образовали планеты;
- катастрофическая (Джинс)- массивная звезда, проходя мимо Солнца, вызвала приливные волны и вырвала газовые струи;
- метеоритная (О.Ю.Щмидт) – планеты образовались из метеоритов;
Гипотезы образования горных пород и ландшафтов:
- нептуническая (Вернер) - вначале Земля была покрыта океанами;
- плутоническая (Геттон) – землетрясения, вулканическая деятельность;
- теория единообразных изменений (Лайель) - геологические явления вызваны природными факторами.
Первичная атмосфера - CO2, NH3, CH4, пары H2O, несколько инертных газов. Резкое изменение состава – ок.2 – 3 млрд. лет назад связано с зарождением жизни. Последние 200 млн. лет состав постоянный:
21% O2 ,78% N2, 1% - другие вещества.
Влияние Солнца и Луны вызывает приливы не только в жидкой, но и в твердой оболочке Земли - в результате сутки удлиняются примерно на 0,002 с за 100 лет. 2 млрд. лет назад сутки составляли 10 часов.
В фанерозое (изученный период геохронологии) были две обширные платформы - Гондвана и Лавразия (Лаврентьевский щит + Азия), около 250 млн. лет назад – единый суперконтинент – Пангея. Сейчас примерно 15 жестких плит, 6-7 крупных. Происходит дрейф континентов. (Тихий океан уменьшается, а Атлантический – расширяется со скоростью несколько см в год).
Геохронология - в 1881 г. в г.Болонья была принята геохронологическая шкала: эра, период, эпоха, век, время. Фанерозой (570 млн.лет) – лучше изученная часть – состоит из эр: палеозоя, мезозоя и кайнозоя. Более древняя часть – криптозой (от 570 млн. до 3800 млн. лет назад).
Все тела Солнечной системы состоят, в основном, из небольшого числа элементов. Все элементы разделены на 4 группы:
• атмофильные – склонны накапливаться в атмосфере;
• литофильные – образуют твердую оболочку планет;
• халькофильные – создают соединения с серой;
• сидерофильные – способны растворяться в сплавах железа.
Известно всего 66 минералов.
Современные концепции развития геосферных оболочек.
Земля разделена условно на сферы: ядро, мантия (халькосфера, тонкий слой – астеносфера), литосфера, атмосфера, гидросфера – водная оболочка Земли (в литосфере и атмосфере), биосфера - живая оболочка Земли (в гидросфере, атмосфере и верхнем слое литосферы), ионосфера – слой ионизированного газа в верхних слоях стратосферы, озоносфера – озоновый слой (в стратосфере), магнитосфера- магнитное поле Земли.
Вблизи Северного географического полюса находится южный магнитный полюс, вблизи южного географического – северный магнитный.
Лекция 11. Литосфера и жизнь
Литосфера как абиотическая основа жизни. Экологические функции литосферы.
Океан Суша
Поверхность 71% 29%
Биомасса 0,13% 99,87%
Животных 7% 93%
Растений 8% 92%
Литосфера является абиотической (небиологической) основой, на которой существует жизнь.
По В.И. Вернадскому часть литосферы входит в биосферу как элемент - косное, биокосное и биогенное вещество; жизнь - мощная геологическая сила, формирующая облик Земли. Верхний слой литосферы – почва – сформирован с помощью живых организмов и является местом их обитания. В литосфере происходит постоянная миграция атомов в результате деятельности живых существ.
Ресурсная функция литосферы состоит в образовании различных веществ (в том числе – полезных ископаемых).
33. Перспективные виды топлива. Альтернативные источники энергии.
Человек в своей деятельности интенсивно потребляет ископаемые виды топлива, запасы которого очень быстро иссякают. Перспектива за возобновляемыми видами энергии: энергии воды (приливные станции, так как ГЭС приносят большой урон природе), энергии ветра, геотермальной энергии, солнечной энергии, атомной энергии. Альтернативные источники энергии – биотопливо, получаемое из отходов сельскохозяйственной деятельности, управляемые термоядерные реакции (разработка еще не завершена).
Лекция 12. Особенности биологического уровня организации материи
Важнейшие открытия 19 –20 веков в области биологии, которые легли в основу современной биологии.
Биология возникла и долгое время существовала как описательная наука, осуществлявшая анализ и классификацию огромного эмпирического материала. Современная биология использует генетический и системно-структурный подходы. Особенностью современной биологии является ее тесная связь с другими науками, с практическими нуждами решения экологических, медицинских, социальных, экономических и др. проблем.
Величайшим открытием является предложенная Ч. Дарвиным теория эволюции живой природы (1859 г. «Происхождение видов путем естественного отбора»).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
