Порядок и беспорядок в микромире,свЯзь агрегатного состояния вещества с упорядочностью строения объектов

Введение
Глава 1. Порядок и беспорядок.
Глава 2. Связь агрегатного состояния вещества с упорядоченностью строения объектов
Заключение
Литература:

Порядок и беспорядок в микромире,свЯзь агрегатного состояния вещества с упорядочностью строения объектов

В данной работе будет рассмотрен вопрос порядка и беспорядка в микромире, связь агрегатного состояния вещества с упорядоченностью строения объектов. Так как наука не стоит на месте, то имевшиеся представления о наличие или отсутствии порядка в строение тел претерпели некоторые изменения в силу выявления новых тел имеющих в основе своего строения сочетание «порядка» и «беспорядка». Были открыты новые закономерности беспорядка в упорядоченной структуре веществ и наличие определенного порядка в хаосе, указывающих на связь строения вещества с его свойствами.
Глава 1. Порядок и беспорядок
Порядок - состояние, обеспеченное закономерностями. Беспорядок - отсутствие всяких закономерностей. Материя - сохраняемая бесструктурная субстанция существования Мира, формирующая образование порядка-беспорядка, реагирующая всегда и всюду на любое физическое воздействие посредством отзывчивости. Характеристики материи - масса и заряд, ответственные за механическое и электрическое взаимодействия обладают поляризованными полями. Материя, формируя структуру, образует сущность. Даже при самом высоком вакууме пространство заполнено множеством микрочастиц. Взаимодействующий микро и макро мир образует поляризованное пространство. Среда представляется пространством, заселенным сущностями с установившимися саморегулируемым и сохраняющимся порядком. Всякая привнесенная сущность его нарушает, установленное состояние изменяется, вызывая соответствующую перестройку. Энергетическое состояние движущегося источника передается среде (кинетическая энергия) и, преодолевая ее инерционность, формирует новый порядок. При этом энергия трансформируется, распределяясь между этими процессами. Новому порядку отвечает энергетическое состояние, устанавливаемое изменяющейся структурой среды. Происходит взаимообмен статического и динамического состояний - потенциальной и кинетической энергий с затратами последней на перестройку структурных особенностей среды. Среда, являясь местом обитания сущностей, выступает посредником, где преобразуются ее энергетические состояния, обеспечивая распространение и перераспределение энергий вплоть до установления нового порядка. В отсутствие среды (пустота) собственная энергия сущности (инерционная) сохраняется, удерживая постоянной скорость и направление движения (первый закон динамики). Первой фундаментальной физической теорией, является классическая механика, основы которой заложил Исаак Ньютон3. К микромиру в полном объеме классические законы механики, инвариантные, неизменные по отношению к изменениям знака времени, сформулированные Ньютоном на основе предшествующих открытий естествоиспытателей (Галилей, Гюйгенс, Ньютон) и известные как классические законы механики - неприменимы. Также оспоримо применение к микромиру и второго закона термодинамики, применимого для закрытых систем, хотя на его основе постулируется факт того, что в изолированной системе все процессы, идущие в сторону увеличения энтропии и тем самым к возрастанию хаоса, частично могут объяснять теории существования одновременно порядка и хаоса в микромире.
Энтропия является фундаментальным свойством любых систем с неоднозначным, или вероятностным, поведением. Известно, что любые дискретные множества, любые объекты и явления (системы) живой и неживой природы без исключения содержат черты порядка и беспорядка (хаоса), определенности и неопределенности, организованности и дезорганизованности, а, следовательно, и энтропии. Основным проявлением свойств материи является движение и взаимодействие частиц, находящихся на различном удалении друг от друга, реализуемое через поле, которое имеется у любой массы. В силу наличия какого-либо вида поля (гравитационного, магнитного) частицы испытывают это влияние на себе - меняется траектория и скорость движения, участие в образовании новых частиц. Это приводит к развитию скачка в системе и из хаоса начинает формироваться новая упорядоченная система – организация (например, кристаллическая решетка для твердых тел). Так из хаоса формируется порядок. На пути формирования новых структур существует так называемая точка бифуркации (разделения, раздвоения), дающая начало перехода к более высокой организации или к разрушению системы.
Хаос- это непрямые события, возникающие в природе. Одной из моделей хаоса и порядка может быть теория нульверной точки, предполагающей, что эти два события находятся в диалектическом единстве. Предполагается, что молекулы находясь в хаотичном движении сталкиваясь, образуют центры схождения и расхождения, в случае превалирования стрелок схождения мы имеем дело с порядком и наоборот в случае расхождения с беспорядком. На основании этого можно прийти к заключению, что всегда найдется точка в пространстве системы, где может наблюдаться организация порядка. Эта теория также дает в руки ученных предположение, что Вселенная возникла изначально из хаоса как результат схождения частиц и последующей упорядоченности. Образование порядка может происходить и без посторонней внешней силы, как результат внутренней перестройки системы (самоорганизация).
Замкнутые системы всегда эволюционируют к хаосу - состоянию, в котором полностью отсутствует какое-либо регулярное движение и регулярные структуры. Причиной этого является то, что состояние статистического равновесия является наиболее вероятным из всех различных состояний системы. Как может показаться, закон возрастания энтропии утверждает, что в природе должны существовать лишь процессы, в которых происходит разрушение упорядоченных структур и переход от порядка к хаосу. Такие процессы действительно наблюдаются в природе, можно привести достаточно много примеров. Капля чернил, попавшая в воду, постепенно растворяется во всем объеме воды, так что вместо первоначальной структуры (капли) образуется однородная бесструктурная смесь. Горные породы под воздействием ветра, влаги и температуры разрушаются, и рельеф местности выравнивается. Ударная волна (упорядоченная во времени структура), образующаяся в результате электрического разряда - молнии (а также в результате выстрела или взрыва), по мере распространения размывается и вместо резкого хлопка вблизи разряда мы слышим гулкие раскаты на большом расстоянии от него. Берега искусственных водохранилищ постепенно размываются, а вместо первоначальных островов образуются отмели. Пожары уничтожают леса. Однако наряду с такими процессами в природе существуют и противоположные им, а именно процессы, связанные с образованием структур из хаоса. Такие процессы называются также процессами самоорганизации. Наиболее явственно и наглядно такие явления демонстрирует живая природа. Из семечка, посаженного в землю, может вырасти большое растение со сложной структурой (ствол, ветви, листья, цветы) и вся огромная (по сравнению с первоначальным семечком), масса этого растения образуется из бесструктурного вещества (вода, углекислый газ, элементы почвы). В опытах Ч. Бернара с подогреваемой в колбе ртутью формировались структуры (ячейки), напоминающие своим видом пчелиные соты, образовывавшиеся после прохождения критической температуры нагревания. В центральной области призмы жидкость поднимается, а вблизи вертикальных граней - опускается. В поверхностном слое жидкость растекается от центра к краям, в придонном - от границ призм к центру. По сравнению с однородным состоянием такие конвективные ячейки, очевидно, являются более высокоорганизованной структурой4. В 1827 году Броун открыл закон, названный в последующем в его честь броуновским движением, беспорядочного движения малых частиц, взвешенных в воздухе или воде. Поведение молекул в этом примере подчиняется «случаю», что проявляется в хаотичности движения в разных направлениях и с различной скоростью движения. Показано, что броуновское движение не зависит от времени и от химических свойств среды, в которой наблюдается такой вид движения материи, и меняется от температуры, вязкости среды и размеров частиц. Объяснение такому роду движения получило в работах Эйнштейна по изучению основ молекулярно-кинетической теории, утверждающей, что молекулы жидкостей и газов находятся в постоянном тепловом движении и импульсы движений по величине и направлению неодинаковы5. Был сформулирован закон природы гласящий, что все тела находящиеся в движении стремятся к равновесию. Согласно этому закону становится понятным невозможность создания «вечного двигателя».
Противоположностью положения равновесия является беспорядочное положение, хаос. Процессам, ведущим к нарушению состояния равновесия, противостоит внутренняя релаксация, например столкновения молекул газов при разряжении. Эта релаксация может охватывать малые объемы, занимаемые газом и не обязательно, что имеющиеся локальные возмущения передавались бы на отдаленные участки объема газа. Установлено, что при выведения системы из равновесия с минимальной энтропией данная систему будет противостоять ей путем производства процессов направленных на погашение этого дестабилизирующего фактора. Однако если суммарное производство энтропии будет меньше, вследствие воздействия внешних факторов на равновесное состояние системы, то это ведет к неустойчивости однородного состояния, что приводит к возникновению флуктуаций (колебаний). Это приведет к тому, что из хаоса могут возникнуть структуры с определенной упорядоченностью строения, обусловленные не внешними факторами, а внутренними - явление самоорганизации.
Хаос возможен в том случае если на молекулы не действуют силы сцепления, например в ходе подогревания, расплавления или испарения. Однако даже в этом случае действуют внешние силы на систему – сила тяжести. Но если мы имеем дело с тонким слоем по вертикали газа, то мы избегаем влияния силы тяжести и в этом случае молекулы газа расположены беспорядочно, как наиболее вероятного случая распределения молекул с полной изотропией и макроскопической равномерной плотностью. Становится очевидным факт, если на молекулы не действуют силы, то они будут распределяться хаотичным образом.
Таким образом, наиболее вероятным распределением молекул является хаотичное их расположение в пространстве и в направление.
В случае, когда на атомы находятся в движение, и испытывает внешнее воздействие, то вероятнее всего распределение частиц уже будет иметь какой-то порядок и распределение скоростей, не будет описываться законом Максвелла. Примером может быть состояние атмосферного давления воздуха, как результат влияния сил притяжения, силы тяжести и внешнего воздействия – тепловой энергии Солнца: по мере подъема от Земли вверх падает плотность воздуха. Это показывает борьбу порядка и беспорядка в такой системе6.
Глава 2. Связь агрегатного состояния вещества с упорядоченностью строения объектов
Агрегатные состояния вещества (от латинского aggrego - присоединяю, связываю) - это состояния одного и того же вещества, переходам между которыми соответствуют скачкообразные изменения свободной энергии, энтропии, плотности и других физических параметров вещества. По ощущениям, которые вызывают различные вещества (тела из веществ) у органов чувств человека, все они могут быть разделены на три главные группы: газообразные, жидкие и кристаллические (твердые).
Газ (французское gaz, происшедшее от греческого chaos - хаос) - это агрегатное состояние вещества, в котором силы взаимодействия его частиц, заполняющих весь предоставленный им объем, пренебрежимо малы. Газы не имеют собственной поверхности и собственного объема. Газы обладают неограниченной способностью к расширению при повышении температуры и понижении давления. В газах межмолекулярные расстояния велики и молекулы движутся практически свободно. Газы можно рассматривать как значительно перегретые или малонасыщенные пары. Уменьшение объема насыщенного пара вызывает конденсацию части пара, а не повышение давления. Насыщенный пар может стать ненасыщенным, если увеличивать его объем или повышать температуру. Если температура пара много выше точки кипения, соответствующей данному давлению, пар называется перегретым.
Кристаллическое твердое состояние вещества - это агрегатное состояние, которое характеризуется большими силами взаимодействия между частицами вещества (атомами, молекулами, ионами). Кристаллы, как и все твердые тела, имеют поверхность, отделяющую их от других твердых тел, и соотносящийся с ней объем, которые не изменяются (точнее, изменяются очень незначительно) в поле тяготения. Расстояния между частицами в кристаллах значительно меньше, чем в газах, а межмолекулярные или межатомные (если кристалл построен из атомов одного элемента) взаимодействия намного сильнее, чем в газах и жидкостях. Частицы твердого вещества колеблется в пределах узлов кристаллической решетки, имеют высокую упорядоченность структуры (дальнюю и ближнюю), упорядоченность расположения, упорядоченность в ориентации структурных частиц и упорядоченность физических свойств (например, ориентация в магнитном поле). Область существования нормальной жидкой фазы для чистых жидких температур фазовыми переходами соответственно в твердое (кристаллизацией), сверхтекучее и жидко-анизотропное состояние7.
Жидкость - это агрегатное состояние вещества, промежуточное между твердым и газообразным. Жидкостям присущи некоторые черты твердого вещества (сохраняет свой объем, образует поверхность, обладает определенной прочностью на разрыв) и газа (принимает форму сосуда, в котором находится). Они имеют поверхность и объем, на которые влияют изменения положения сосуда с жидкостью в поле тяготения. Жидкость в поле тяготения занимает нижнюю часть сосуда, в котором она находится.
Молекулы в жидком веществе связаны между собой значительно более прочными межмолекулярными силами (сочетание малых колебаний в положении равновесия и перескоков из одного равновесного состояния в другое), чем в газе. Упорядоченность в расположении частиц у жидких веществ также намного выше, чем у газов. Частые перескоки молекул нарушают дальний порядок в расположении частиц и обусловливают текучесть жидкостей, а малые колебания около положений равновесия обусловливают существование в жидкостях ближнего порядка. Жидкости и твердые вещества, в отличие от газов, можно рассматривать как высоко конденсированные среды. В них молекулы (атомы) расположены значительно ближе друг к другу и силы взаимодействия на несколько порядков больше, чем в газах. Поэтому жидкости и твердые вещества имеют существенно ограниченные возможности для расширения, заведомо не могут занять произвольный объем, а при постоянных давлении и температуре сохраняют свой объем, в каком бы объеме их не размещали.
Выделяют еще одно состояние вещества - аморфное, в котором его свойства не зависят от направления в пространстве (отсутствует анизотропия) и оно при нагревании постепенно размягчается и без определенной температуры плавления переходит в жидкость.
Аморфное твердое состояние вещества является разновидностью переохлажденного состояния жидкости и отличается от обычных жидкостей существенно большей вязкостью и численными значениями кинетических характеристик.
Иногда, чаще всего в физике, говорят о плазменном состоянии вещества. В это состояние вещество переходит из газового состояния при таких высоких температурах, что от атомов отрываются электроны и образуются ионы - заряженные частицы.
Существование вещества в том или ином состоянии (в науке пользуются термином «фазовое состояние», ранее «агрегатное состояние») зависит от температуры и давления. Повышение температуры почти всегда приводит к фазовым переходам: кристалл жидкость газ.
Известны вещества, например сера, которые при нагревании, перейдя в жидкое состояние, снова переходят в твердое. Дальнейшее повышение температуры снова переводит их в жидкое, а затем - в газообразное состояние. Увеличение давления чаще всего оказывает на вещество обратное действие, то есть осуществляется последовательность превращений: газ жидкость кристалл. Фазой называется совокупность всех частей системы, обладающих одинаковым химическим составом и находящихся в одинаковом состоянии: жидкости и насыщенного пара, воды и льда, аморфных твердых веществ. Все вещества могут существовать в твердом, жидком и газообразном состоянии. Примером может служить вода: при низкой температуре это лед (твердое состояние вещества), при высокой – пар (газообразное состояние вещества) и свое исходное состояние в промежутках крайних значений температуры - жидкость. На этом примере видно, что агрегатное состояние вещества зависит от физических условий (температуры) в котором оно находится. Существенным в этом моменте является отношение энергии взаимодействия молекул вещества к кинетической энергии: у твердых веществ оно больше 1, у жидких - около 1. При переходе вещества из одного агрегатного состояния в другое происходит резкое (скачкообразное) изменение этого соотношения, обусловленное изменением межмолекулярных расстояний и взаимодействий. В газообразных веществах межмолекулярные расстояния велики, взаимодействие молекул ничтожно мало, молекулы практически движутся свободно. В твердых и жидких веществах молекулы расположены ближе и взаимодействие между ними сильнее, чем и объясняется сохранение формы этих веществ. При воздействии высоких температур меняется амплитуда колебаний атомов, достигнув определенной критической точки это проводит к переходу вещества из одного агрегатного состояния в другое (твердого в жидкое, например, при плавлении металлов) и наоборот при понижении температуры – резко уменьшается амплитуда колебания атомов и вещество приобретает новое агрегатное состояние, например, твердое для воды8.