Номер 4, страница 339 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Синяков

Обобщающие проекты - номер 4, страница 339.

Условие.

4. Создайте хронологическую ленту «Открытия в молекулярной физике и термодинамике: причины, личность учёного, появление технологий, окружающая среда».

Решение.

Конец XVII - XVIII век: Эмпирические газовые законы (закон Бойля-Мариотта, законы Шарля и Гей-Люссака)
Причины: Развитие экспериментальной науки в эпоху научной революции. Возникновение практической необходимости в изучении свойств газов в связи с изобретением и усовершенствованием вакуумных насосов, барометров и термометров. Учёные стремились установить количественные связи между макроскопическими параметрами газа: давлением, объёмом и температурой.
Личность учёного: Роберт Бойль был одним из основоположников современной химии и физики, убеждённым сторонником экспериментального метода, методичным и скрупулёзным исследователем. Жозеф Луи Гей-Люссак был смелым экспериментатором, не боявшимся рисковать (например, совершал полёты на воздушном шаре для изучения состава и свойств атмосферы на высоте).
Появление технологий: Ключевой технологией, сделавшей возможным открытие закона Бойля, стал воздушный насос, усовершенствованный Робертом Гуком. Прогресс в изготовлении стеклянных приборов позволил создавать надёжные барометры и термометры для точных измерений.
Окружающая среда: Эпоха Просвещения и научной революции. Создание первых научных академий и обществ (например, Лондонского королевского общества) способствовало быстрому обмену информацией и идеями между учёными. Пневматика (изучение свойств газов) была одной из самых передовых и популярных областей науки.
Ответ: Открытие газовых законов стало первым шагом к количественному описанию тепловых явлений, заложив эмпирическую основу для будущей молекулярно-кинетической теории и термодинамики.

1824 год: "Размышления о движущей силе огня" (Сади Карно)
Причины: Промышленная революция, в центре которой стояла паровая машина. Возникла острая экономическая и инженерная задача повышения эффективности (КПД) тепловых двигателей. Необходимо было понять теоретические основы их работы и определить максимально возможный КПД.
Личность учёного: Сади Карно был французским военным инженером и физиком-теоретиком. В своей единственной крупной работе он, подобно Ньютону в механике, стремился найти общие, универсальные принципы, управляющие работой всех тепловых машин, независимо от их конкретной конструкции и рабочего тела. Его работа опередила своё время и была по-настоящему оценена лишь десятилетия спустя.
Появление технологий: Работа Карно была прямым следствием анализа уже существующей технологии — паровой машины Джеймса Уатта. Его теоретические выводы, в свою очередь, заложили фундамент для науки термодинамики, которая позволила в будущем целенаправленно создавать более совершенные тепловые двигатели.
Окружающая среда: Пост-наполеоновская Франция, стремившаяся не отставать от Англии в промышленном развитии. Ведущую роль играли инженерные учебные заведения, такие как Политехническая школа в Париже, где наука тесно переплеталась с практическими задачами.
Ответ: Карно заложил основы второго начала термодинамики, введя понятие идеального цикла (цикл Карно) и доказав, что КПД тепловой машины зависит только от температур нагревателя и холодильника.

1840-е годы: Первый закон термодинамики (закон сохранения энергии)
Причины: Накопление экспериментальных данных о взаимных превращениях различных форм энергии: механической, тепловой, электрической, химической. У учёных и философов возникла идея о существовании единой "силы" (энергии), которая не исчезает и не создаётся, а лишь переходит из одной формы в другую.
Личность учёного: Закон был сформулирован практически одновременно несколькими учёными с разным бэкграундом. Юлиус Майер — немецкий врач, пришедший к идее на основе физиологических наблюдений. Джеймс Джоуль — английский пивовар и гениальный экспериментатор, который с высочайшей точностью измерил механический эквивалент теплоты. Герман Гельмгольц — немецкий физик и физиолог, придавший закону строгую математическую форму и всеобщий характер.
Появление технологий: Точные калориметры и термометры, позволившие Джоулю провести свои знаменитые опыты. Развитие электротехники также способствовало пониманию превращений энергии.
Окружающая среда: XIX век — эпоха бурной индустриализации. Идея сохранения и превращения энергии идеально соответствовала духу времени, ориентированному на эффективность и рациональное использование ресурсов. Закон стал одним из фундаментальных столпов всей физики.
Ответ: Был сформулирован первый закон термодинамики, утверждающий, что энергия сохраняется во всех процессах, включая тепловые. Он связал изменение внутренней энергии системы с полученным теплом и совершённой работой.

1850-1860-е годы: Второй закон термодинамики и понятие энтропии (Рудольф Клаузиус, Уильям Томсон)
Причины: Первый закон термодинамики разрешал любые процессы, в которых сохраняется энергия. Однако в реальности многие процессы (например, переход тепла от холодного тела к горячему) никогда не наблюдаются. Необходимо было сформулировать закон, определяющий направление протекания самопроизвольных процессов в природе.
Личность учёного: Рудольф Клаузиус, немецкий физик, отличался строгостью и методичностью. Он ввёл новую физическую величину — энтропию — как меру необратимости, "беспорядка" или рассеянной энергии в системе. Уильям Томсон (лорд Кельвин), шотландский учёный-энциклопедист, сформулировал закон в виде постулата о невозможности вечного двигателя второго рода.
Появление технологий: Открытие не было прямым следствием новой технологии. Наоборот, оно установило фундаментальные теоретические ограничения для всех существующих и будущих технологий, связанных с преобразованием тепла в работу, и направило инженерную мысль на поиск путей минимизации необратимых потерь.
Окружающая среда: В физике происходил переход от чисто эмпирических законов к построению фундаментальных теорий, основанных на нескольких общих принципах. Идея о неизбежном росте энтропии и "тепловой смерти Вселенной" оказала огромное влияние не только на науку, но и на философию и культуру.
Ответ: Был сформулирован второй закон термодинамики, который ввёл понятие энтропии и определил направление самопроизвольных процессов в изолированных системах как направление к увеличению энтропии.

1860-1870-е годы: Статистическая механика и кинетическая теория газов (Джеймс Максвелл, Людвиг Больцман)
Причины: Термодинамика успешно описывала макроскопические тепловые явления, но не объясняла их природу с точки зрения гипотезы о существовании атомов и молекул. Необходимо было построить мост между микромиром хаотически движущихся частиц и макромиром с его законами давления, объёма и температуры.
Личность учёного: Джеймс Клерк Максвелл, один из величайших физиков-теоретиков, впервые применил статистические методы для описания ансамбля молекул и вывел закон распределения их по скоростям. Людвиг Больцман, австрийский физик, был страстным защитником атомистической теории. Он углубил идеи Максвелла и дал статистическое толкование энтропии, связав её с вероятностью состояния системы через знаменитую формулу $S = k \ln W$.
Появление технологий: Это был прорыв в теоретической физике, не связанный напрямую с технологическими новинками. Однако созданный математический аппарат и физические модели легли в основу современной физики конденсированного состояния, физической химии и инженерных расчётов процессов переноса (теплопроводности, диффузии).
Окружающая среда: В научном сообществе второй половины XIX века шли ожесточённые дебаты между сторонниками атомизма и "энергетизма", отрицавшего реальность атомов. Больцман до конца жизни вёл борьбу за признание своих идей, которые были окончательно приняты лишь после его смерти.
Ответ: Была создана молекулярно-кинетическая теория (МКТ), которая объяснила макроскопические свойства вещества (давление, температуру) на основе представлений о движении и взаимодействии атомов и молекул, а также дала статистическое обоснование законам термодинамики.

1905 год: Теория броуновского движения (Альберт Эйнштейн)
Причины: Несмотря на успехи МКТ, многие влиятельные учёные всё ещё считали атомы и молекулы лишь удобной вычислительной моделью, а не физической реальностью. Требовалось прямое, наблюдаемое доказательство их существования и хаотического теплового движения.
Личность учёного: Альберт Эйнштейн, в то время молодой сотрудник патентного бюро, в одной из своих работ 1905 года дал полное теоретическое объяснение броуновского движения — беспорядочного движения микроскопических частиц, взвешенных в жидкости. Он показал, что это движение вызвано стохастическими ударами молекул среды, и вывел уравнение, которое связывало смещение частиц с температурой, вязкостью среды и числом Авогадро.
Появление технологий: Для экспериментальной проверки теории Эйнштейна потребовались усовершенствованные микроскопы, в частности ультрамикроскоп. Опыты, проведённые французским физиком Жаном Перреном, блестяще подтвердили выводы Эйнштейна.
Окружающая среда: Начало XX века — период революционных изменений в физике. Работа Эйнштейна стала последним и решающим аргументом в споре о существовании атомов, закрыв одну из величайших дискуссий в истории науки и открыв дорогу для количественного изучения микромира.
Ответ: Была создана количественная теория броуновского движения, которая стала окончательным экспериментальным подтверждением реальности существования атомов и молекул и справедливости основных положений молекулярно-кинетической теории.