Контрольная работа по "Концепция современного естествознания"

     Солнце - неисчерпаемый источник энергии - ежесекундно дает Земле 80 триллионов киловатт, то есть в несколько тысяч раз больше, чем все электростанции мира. Нужно только уметь пользоваться им. Например, Тибет - самая близкая к Солнцу часть нашей планеты - по праву считает солнечную энергию своим богатством. На сегодня в Тибетском автономном районе Китая построено уже более пятидесяти тысяч гелиопечей. Солнечной энергией отапливаются жилые помещения площадью 150 тысяч квадратных метров, созданы гелиотеплицы общей площадью миллион квадратных метров.

     Теоретически, водород можно было бы получать из воды, используя для этого энергию  солнца или ветра. Однако, даже при  самых оптимистических прогнозах, связанных с  совершенствованием таких технологий, затраты на производство электроэнергии, необходимой для разделения молекул воды на молекулы водорода и кислорода в настоящее время чрезвычайно велики. Поэтому первые установки для крупномасштабного производства водорода будут, по всей видимости,  вырабатывать его из  традиционных видов   топлива. 

     На  первый взгляд ветер кажется одним  из самых доступных и возобновляемых источников энергии. В отличие от Солнца он может “работать” зимой и летом, днем и ночью, на севере и на юге. Но ветер - это очень рассеянный энергоресурс. Природа не создала “месторождения” ветров и не пустила их, подобно рекам, по руслам. Ветровая энергия практически всегда “размазана” по огромным территориям. Основные параметры ветра - скорость и направление - меняются подчас очень быстро и непредсказуемо, что делает его менее “надежным”, чем Солнце. Таким образом, встают две проблемы, которые необходимо решить для полноценного использования энергии ветра. Во-первых, это возможность “ловить” кинетическую энергию ветра с максимальной площади. Во-вторых, еще важнее добиться равномерности, постоянства ветрового потока. Вторая проблема пока решается с трудом. Существуют интересные разработки по созданию принципиально новых механизмов для преобразования энергии ветра в электрическую. Одна из таких установок (патент РФ № 1783144) порождает искусственный сверхураган внутри себя при скорости ветра в 5 м/с! Ветровые двигатели не загрязняют окружающую среду, но они очень громоздкие и шумные. Чтобы производить с их помощью много электроэнергии, необходимы огромные пространства земли. Лучше всего они работают там, где дуют сильные ветры. И тем не менее всего одна электростанция, работающая на ископаемом топливе, может заменить по количеству полученной энергии тысячи ветряных турбин (см. рис. №3;8).

     Энергия малых рек также в ряде случаев  может стать источником электроэнергии. Возможно, для использования этого  источника необходимы специфические  условия (например, речки с сильным течением), но в ряде мест его, где обычное электроснабжение невыгодно, установка мини-ГЭС могла бы решить множество локальных проблем. Бесплотинные ГЭС для речек и речушек уже существуют. Этот двухметровый агрегат есть не что иное, как бесплотинная ГЭС мощностью в 0,5 КВт. В комплекте с аккумулятором она обеспечит энергией крестьянское хозяйство или геологическую экспедицию, отгонное пастбище или небольшую мастерскую... Была бы поблизости речушка!

     Тепло от горячих горных пород в земной коре тоже может генерировать электричество (см. рис. №6). Через пробуренные в горной породе скважины вниз накачивается холодная вода, а в вверх поднимается образованный из воды пар, который вращает турбину. Такой вид энергии называется геотермальной энергией. Она используется, например, в Новой Зеландии и Исландии.

     Казалось  бы, что может быть неприятнее навоза? Много проблем связано с загрязнением водоемов отходами звероводческих хозяйств. Большие количества органического вещества, попадающие в водоемы, способствуют их загрязнению. Известно, что теплоцентрали - активные загрязнители окружающей среды, свинофермы и коровники - тоже. Однако из этих двух зол можно составить нечто хорошее. Именно это произошло в английском городе Пиделхинтоне, где разработана технология переработки навоза свиней в электроэнергию. Отходы идут по трубопроводу на электростанцию, где в специальном реакторе подвергаются биологической переработке. Образующийся газ используется для получения электроэнергии, а переработанные бактериями отходы - для удобрения. Перерабатывая 70 тонн навоза ежедневно, можно получить 40 КВт/ч.

     Одним из наиболее необычных видов использования  отходов человеческой деятельности является получение электроэнергии из мусора. Проблема городских свалок стала одной из наиболее актуальных проблем современных мегаполисов. Но, оказывается, их можно еще использовать для производства электроэнергии. Во всяком случае именно так поступили в США, в штате Пенсильвания. Когда построенная для сжигания мусора и одновременной выработки электроэнергии для 15000 домов печь стала получать недостаточно топлива, было решено восполнить его мусором с уже закрытых свалок. Вырабатываемая из мусора энергия приносит округу около $ 4000 прибыли еженедельно. Но главное- объем закрытых свалок сократился на 78%. Разлагаясь на свалках, мусор выделяет газ, 50-55 % которого приходится на метан, а 45-50% - на углекислый газ и около одного процента - на другие соединения. Если раньше выделяемый газ просто отравлял воздух, то теперь в США его начинают использовать в качестве горючего в двигателях внутреннего сгорания с целью выработки электроэнергии. Только в мае 1993 года 114 электростанций, работающих на газе от свалок, произвели 344 мегаджоуля электроэнергии. Самая крупная из них, в городе Уиттиер, производит за год 50 мегаджоулей. Станция мощностью 12 мегаватт способна удовлетворить потребность в электроэнергии жителей 20 тысяч домов. По подсчетам специалистов, газа на свалках США хватит для работы небольших станций на 30-50 лет. Не стоит ли и нам задуматься над проблемой вторичного использования мусора? При наличии эффективной технологии мы могли бы сократить количество мусорных “курганов”, а заодно значительно пополнить и восполнить запасы энергии, благо “дефицита сырья” для ее производства не предвидится.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     7.Дайте  формулировку второго  закона термодинамики. 

     Второй Закон Термодинамики, как и Первый Закон сохранения энергии установлен эмпирическим путем. Впервые его сформулировал Клаузиус теплота сама собой переходит лишь от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой и не может самопроизвольно переходить в обратном направлении. 
Другая формулировка все самопроизвольные процессы в природе идут с увеличением энтропии. Энтропия мера хаотичности, неупорядоченности системы. 
Рассмотрим систему из двух контактирующих тел с разными температурами. Тепло пойдет от тела с большей температурой к телу с меньшей, до тех пор, пока температуры обоих тел не выровняются. При этом от одного тела к другому будет передано определенное количество тепла dQ. Но энтропия при этом у первого тела уменьшится на меньшую величину, чем она увеличится у второго тела, которое принимает теплоту, так как, поопределению, dSdQT температура в знаменателе!. То есть, в результате этого самопроизвольного процесса энтропия системы из двух тел станет больше суммы энтропий этих тел до начала процесса. Иначе говоря, самопроизвольный процесс передачи тепла от тела с высокой Т к телу с более низкой Т привел к тому, что энтропия системы из этих двух тел увеличилась! 
Заметим, что, рассматривая эту систему из двух тел, мы подразумевали, что внешнего теплопритока в нее или теплооттока из нее нет для простоты, чтобы не пудрить себе мозги то есть, считали ее изолированной или замкнутой. Отсюда еще одна формулировка Второго Закона Термодинамики При прохождении в изолированной системе самопроизвольных процессов энтропия системы возрастает. Или Энтропия изолированной системы стремится к максимуму так как самопроизвольные процессы передачи тепла всегда будут происходить, пока есть перепады температур. 
А что будет, если наша система из двух тел будет неизолирована незамкнута и, допустим, в нее поступает тепло? Ясно, что ее энтропия будет увеличиваться еще больше, так как при получении телом тепла энтропия его увеличивается dSdQT.  
Но для простоты формулировки этот момент обычно не упоминают и поэтому формулируют Второй Закон термодинамики именно для изолированных систем. Хотя, как мы видим, он действует точно также и для открытых 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     8.модели  происхождения солнечной системы. 

     Согласно  наиболее распространенной теории вселенная  образовалась в результате так называемого  большого взрыва, который произошел 15 мил. Лет назад. С этого момента началось расширение вселенной, которая и продолжает и по сей день расширятся. Об этом свидетельствует постоянное отделение галактики друг от друга из материи, которой охлаждались, образовались планеты, звезды и галактики. Образование нашей солнечной системы произошло более 5 мил. Лет назад. Гигантское облако из космической пыли и газа начало сжиматься и стремительно закручиваться во круг оси. В центре этого “Вихря” образовалось уплотнение, из которого и сформировалось наша звезда-Солнце. В дали от центра части продолжали вращаться и смешиваться друг с другом, образуя все большие сгустки-будующие планеты. Из самых маленьких сгустков образовался пояс астероидов.

     Наша  олнечная система представляет собой группу небесных тел, весьма различных по размерам и физическому строению. В эту группу входят: Солнце, девять больших планет, десятки спутников планет, тысячи малых планет (астероидов), сотни комет и бесчисленное множество метеоритных тел, движущихся как роями, так и в виде отдельных частиц. Все эти тела объединены в одну систему благодаря силе притяжения центрального тела - Солнца. Солнечная система является упорядоченной системой, имеющей свои закономерности строения. Единый характер Солнечной системы проявляется в том, что все планеты вращаются вокруг Солнца в одном и том же направлении и почти в одной и той же плоскости. Солнце, планеты, спутники планет вращаются вокруг своих осей в том же направлении, в котором они совершают движение по своим траекториям. Закономерно и строение Солнечной системы: каждая следующая планета удалена от Солнца при-

мерно в два  раза дальше, чем предыдущая.

     Первые теории происхождения Солнечной системы были выдвинуты немецким философом И. Кантом и французским математиком П. С. Лапласом. Согласно этой гипотезе система планет вокруг Солнца образовалась в результате действия сил притяжения и отталкивания между частицами рассеянной материи (туманности), находящейся во вращательном движении вокруг Солнца. 

     Центральное тело нашей планетной системы  – Солнце. Солнце (желтый карлик) –  сосредоточило в себе 99,866 % всей массы  Солнечной системы. Оставшиеся 0,134 % вещества представлены девятью большими планетами (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон) и несколькими десятками спутников планет (в настоящее время их открыто более 60), малыми планетами – астероидами ( ~100 тысяч), кометами ( ~10¹¹ объектов), огромным количеством мелких фрагментов – метеоритов, а также космической пылью. Механически эти объекты объединены в общую систему силой притяжения Солнца. Средняя плотность тел Солнечной системы изменяется в пределах от 0,5 г/см³ для ядер комет до 7,7 г/см³ для металлических астероидов и метеоритов.  
    Самая крупная из планет – Юпитер – меньше Солнца по размерам на порядок и по массе на три порядка. Средняя плотность Юпитера составляет 1,32 г/см³, что очень близко к средней плотности солнечного вещества (1,41 г/см³Основными элементами,

     определяющими химический состав обоих объектов, являются водород и гелий. Сатурн по размерам почти не отличается от Юпитера, но меньшая плотность вещества планеты (0,686 г/см³) определяет и несколько меньшее значение массы. Следующие два гиганта – Уран и Нептун (с массой около 10²⁹ г) – мало отличаются по средней плотности (1,28 и 1,64 г/см³ соответственно) и химическому составу. Все четыре планеты традиционно выделяются в группу планет-гигантов, отличительной особенностью которых являются не только значительные размеры и масса, но также и низкая средняя плотность, характерная для газового состава.  
    Другая группа – планеты земного типа – состоит из четырех планет, в нее входят Земля и Венера, которые почти не отличаются друг от друга по размерам, массе и средней плотности (5,52 и 5,24 г/см³ соответственно), а также меньшие по размерам и массе Марс и Меркурий.  
    Перечень больших планет Солнечной системы дополняет необычный объект – Плутон, который в момент своего открытия в 1930 году занимал наиболее удаленное от Солнца положение, соответствующее месту девятой планеты Солнечной системы. Но орбита Плутона обладает значительным эксцентриситетом, в 1969 году он пересек орбиту Нептуна, превратившись в восьмую по удаленности от Солнца планету. В этом статусе Плутон будет пребывать до 2009 года. А первый после своего открытия полный оборот вокруг Солнца Плутон завершит лишь в 2178 году.  
    Планеты земной группы составляют внутреннюю часть Солнечной системы. Планеты-гиганты образуют ее внешнюю часть. Промежуточное положение занимает пояс астероидов, в котором сосредоточена большая часть малых планет. На окраинах Солнечной системы, по-видимому, сосредоточены облака гигантских по размерам и массам комет, которые могли посещать окрестности Солнца задолго до появления жизни на Земле. Об этом свидетельствуют следы на поверхности таких безатмосферных тел, как Луна или Меркурий, способных сохранять отпечатки самых древних событий в истории планет.  
    За последние несколько лет было обнаружено свыше 30 объектов, имеющих сходство с ядрами комет, названных транснептуновыми. Их размеры превосходят 100 км. Согласно оценкам, на расстоянии между 30 и 50 а.е. от Солнца сосредоточено около 70 000 тел размерами от 100 до 400 км. Соотношение расстояний и периодов обращения планет вокруг Солнца определяется известным законом Кеплера, согласно которому квадраты периодов пропорциональны кубам больших полуосей относительных орбит. Все планеты обращаются вокруг Солнца в одном направлении, совпадающем с направлением осевого вращения Солнца, и в том же направлении они обращаются вокруг своей оси. Исключение составляют Венера, Уран и Плутон, осевое вращение которых противоположно солнечному.  
    В Солнечной системе существует резкая диспропорция в распределении массы и момента количества движения между Солнцем и планетами. Хотя основная масса вещества Солнечной системы сосредоточена в самом Солнце, 98 % момента количества движения (произведения массы на скорость и радиус вращения) приходится на долю планет. В результате удельное значение моментов количества движения для планет в среднем в 35 000 раз больше, чем для Солнца. Причина этого еще не ясна. Возможно, ответственным за перенос момента количества движения является магнитное поле Солнца, пронизывающее всю нашу планетную систему.  
    После завершения стадии формирования больших планет и спутников из первичного газопылевого облака, окружавшего Солнце, состояние их поверхности в основном определялось двумя процессами: выпадением большого числа мелких фрагментов, находившихся в межпланетном пространстве, и внутренней активностью собственных недр. Современный вид поверхности больших планет и спутников показывает, что для каждого тела воздействия этих процессов сочетались в различных пропорциях. На поздних стадиях развития планет существенную роль играло также наличие или отсутствие у тела газовой оболочки – атмосферы. 

9.Охарактеризуйте  теорию Опарина. 
 
Теория возникновения жизни, предложенная советским ученым Александром Опариным (1894-1980) надолго стала одной из самых влиятельных в научном мире. Данная теория описывает жизнь с позиций материалистической методологии и постулирует самозарождение жизни под воздействием физико-химических процессов, протекающих в условиях первобытной Земли. Теория Опарина, таким образом, является теорией химической эволюции. Свои идеи ученый впервые изложил в книге «Происхождение жизни», опубликованной в Советском Союзе в 1924 году и переведенной на английский язык в 1938 году. Теорию Опарина горячо поддержал кембриджский профессор, воинствующий атеист, многолетний главный редактор коммунистической газеты «Дейли Уоркер». Хэлдейн открыл полемику по проблеме происхождения жизни в статье, опубликованной в «Ежегодном Вестнике Рационалиста» в 1929 году. В ней Хэлден выдвинул гипотезу о том, что на первобытной Земле скопились огромные количества органических соединений, образовав то, что получило название «первичного бульона» или «протобульона».  
Современное понятие первобытного бульона и самозарождения жизни исходит из теории Опарина-Хэлдейна о происхождении жизни. Суть теории сводится к следующему:  
1. Первобытная Земля имела разреженную (то есть лишенную кислорода) атмосферу.  
2. Когда на эту атмосферу стали воздействовать различные естественные источники энергии - например, грозы и извержения вулканов - то при этом начали самопроизвольно формироваться основные химические соединения, необходимые для органической жизни.  
3. С течением времени молекулы органических веществ накапливались в океанах, пока не достигли консистенции горячего разбавленного бульона. Однако в некоторых районах концентрация молекул, необходимых для зарождения жизни, была особо высокой, и там образовались нуклеиновые кислоты и протеины.  
4. Некоторые из этих молекул оказались способны к самовоспроизводству.  
5. Взаимодействие между возникшими нуклеиновыми кислотами и протеинами в конце концов привело к возникновению генетического кода.  
6. В дальнейшем эти молекулы объединились, и появилась первая живая клетка.  
7. Первые клетки были гетеротрофами, они не могли воспроизводить свои компоненты самостоятельно и получали их из бульона. Но со временем многие соединения стали исчезать из бульона, и клетки были вынуждены воспроизводить их самостоятельно. Так клетки развивали собственный обмен веществ для самостоятельного воспроизводства.  
8. Благодаря процессу естественного отбора из этих первых клеток появились все живые организмы, существующие на Земле.  
Наибольшим успехом теории Опарина-Хэлдейна стал широко известный эксперимент, проведенный в 1953 году американским аспирантом Стэнли Миллером.  
Эксперимент Миллера  
Эксперимент Миллера, ставший поворотным пунктом в этой области, был предельно прост. Аппарат состоял из двух стеклянных колб, соединенных в замкнутую цепь. В одну из колб помещено устройство, имитирующее грозовые эффекты - два электрода, между которыми происходит разряд при напряжении около 60 тысяч вольт; в другой колбе постоянно кипит вода. Затем аппарат заполняется атмосферой, предположительно существовавшей на древней Земле: метаном, водородом и аммиаком. Аппарат проработал неделю, после чего были исследованы продукты реакции. В основном получилась вязкое месиво случайных соединений; в растворе также было обнаружено некоторое количество органических веществ, в том числе и простейшие аминокислоты - глицин и аланин.  
Публикация данных эксперимента Миллера вызвала беспрецедентный интерес, и вскоре многие другие ученые стали повторять этот эксперимент. При этом обнаружилось, что видоизменение условий эксперимента дает возможность получать небольшое количество других аминокислот. Однако повторить эксперимент было сложно, и многие результаты были получены только после множества безрезультатных попыток.  
Сообщалось о том, что в процессе экспериментов возникли основные компоненты, необходимые для жизни. Так, в некоторых учебниках биологии говорится, что в ходе экспериментов были получены представители всех важнейших типов молекул, имеющихся в клетках. Это утверждение абсолютно неверно, так как из многих биохимических веществ, имеющихся в клетках, только два подобны тем, что получены в экспериментах типа миллеровских - это глицин и аланин. Но и они были представлены в очень малых концентрациях. К тому же в ходе экспериментов ни разу не были получены нуклеиновые кислоты, протеин, липид и полисахарид - более 90% веществ, составляющих живую клетку.  
Теория (правильнее было бы говорить о гипотезе) Опарина вызывает большое количество споров, но до сих пор является основной в биологии.