Опишите эволюцию представлений о теплоте. Раскройте смысл закона распространения теплоты Фурье

Ответ:

В XVIII в. теплота представлялась в виде некоторой жидкости, общее количество которой остается в течение различных физических процессов неизменным. Для объяснения целого ряда явлений, и в особенности явления распространения тепла в материальных телах, эта гипотеза оказывалась вполне удовлетворительной. Изящная и классическая теория распространения тепла в пространстве, созданная Фурье, исходит из соотношения, которое выражает "закон сохранения теплоты". Но многочисленные явления, в которых теплота возникает в результате трения, с большим трудом объяснялись в рамках этой гипотезы, и мало-помалу физики от нее отказались и стали рассматривать теплоту не как некую вечную субстанцию, а просто как одну из форм энергии. Действительно, во всех происходящих вокруг нас чисто механических явлениях энергия сохраняется всегда, за исключением тех случаев, когда в результате трения происходит выделение тепла. Если рассматривать теплоту как одну из форм энергии, то можно выдвинуть некий общий принцип сохранения энергии.

Теорией теплоты во Франции тогда занимались многие ученые. Значимые результаты получили и Лавуазье, и Лаплас, и Био, и Пуассон. Фурье начал формулировать задачи теплообмена вначале для двух тел, затем для нескольких, а потом, довольно решительно перешел к континуальной модели процесса теплопередачи.

Развиваемый им подход лежал вне рамок основных методов того времени, использовавшихся в рациональной и звездной механике. Он не следовал из общих вариационных принципов. Гипотеза о пропорциональности потока тепла или потока температуры разности температур (в предельном случае градиенту температуры) была настолько революционной, что продолжительное время никак не принималась современниками (здесь - плотность, - теплоемкость, - коэффициент теплопроводности, - коэффициент температуропроводности).

Фурье первым осознал различие процессов, протекающих в толще сплошной среде и на ее поверхности. Он сформулировал для них различные уравнения, дополненные начальными условиями в явном виде, и обосновал выбор систем координат учитывавших физические и геометрические симметрии задачи. Решения задач в такой постановке приводятся к форме, допускающей прямое сравнение с экспериментом.

"Эффект распространения теплоты, - говорит Фурье, - зависит для всякого твердого тела от трех основных причин:

) от теплоемкости,

) от внутренней теплопроводности и 3) от внешней теплопроводности. Эти три основные свойства являются в формулах для каждого данного тела постоянными величинами. Если они определены, то все вопросы, касающиеся движения теплоты, разрешаются уже аналитически, путем вычислений

Для анализа полученных уравнений в частных производных Фурье развил метод разделения переменных и предложил новый способ отыскания их решений, основанный на разложении непрерывных и разрывных функций в ряды и интегралы Фурье (позднее он предложил и обратный переход в конфигурационное пространство). Успешность такого подхода стимулировала развитие и многих других видов интегральных представлений.

Закон теплопроводности, установленный Фурье:

поток теплоты пропорционален градиенту температуры.

Этот закон оказался применимым к веществам в твердом, жидком и газообразном состояниях; кроме того, он не зависел от химического состава тела. Для каждого вещества характерен только коэффициент пропорциональности между плотностью теплового потока и градиентом температуры.

Когда теплота (тогда считали - "теплород")"течет" по закону Фурье от области с более высокой температурой к области с более низкой (и никогда наоборот), возникает выделенное направление времени.

Ответ:

Скорость реакции определяется изменением молярной концентрации одного из реагирующих веществ:

V = ±С2 - С1t2 - t1= ± (DС / Dt)

где С1 и С2 - молярные концентрации веществ в моменты времени t1 и t2 соответственно (знак (+) - если скорость определяется по продукту реакции, знак (-) - по исходному веществу).

Реакции происходят при столкновении молекул реагирующих веществ. Ее скорость определяется количеством столкновений и вероятностью того, что они приведут к превращению. Число столкновений определяется концентрациями реагирующих веществ, а вероятность реакции - энергией сталкивающихся молекул.

Факторы, влияющие на скорость химических реакций.

. Природа реагирующих веществ. Большую роль играет характер химических связей и строение молекул реагентов. Реакции протекают в направлении разрушения менее прочных связей и образования веществ с более прочными связями. Так, для разрыва связей в молекулах H2 и N2 требуются высокие энергии; такие молекулы мало реакционноспособны. Для разрыва связей в сильнополярных молекулах (HCl, H2O) требуется меньше энергии, и скорость реакции значительно выше. Реакции между ионами в растворах электролитов протекают практически мгновенно.

Например, фтор с водородом реагирует со взрывом при комнатной температуре, бром с водородом взаимодействует медленно и при нагревании. Оксид кальция вступает в реакцию с водой энергично, с выделением тепла; оксид меди - не реагирует.

. Концентрация. С увеличением концентрации (числа частиц в единице объема) чаще происходят столкновения молекул реагирующих веществ - скорость реакции возрастает.

Скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.

aA + bB +. ®.

V = k [A] a [B] b.

Константа скорости реакции k зависит от природы реагирующих веществ, температуры и катализатора, но не зависит от значения концентраций реагентов.

Физический смысл константы скорости заключается в том, что она равна скорости реакции при единичных концентрациях реагирующих веществ.

Для гетерогенных реакций концентрация твердой фазы в выражение скорости реакции не входит.

. Температура. При повышении температуры на каждые 10C скорость реакции возрастает в 2-4 раза (Правило Вант-Гоффа). При увеличении температуры от t1 до t2 изменение скорости реакции можно рассчитать по формуле:

(где Vt2 и Vt1 - скорости реакции при температурах t2 и t1 соответственно; g - температурный коэффициент данной реакции).

Правило Вант-Гоффа применимо только в узком интервале температур. Более точным является уравнение Аррениуса:

k = A e - Ea/RT

где A - постоянная, зависящая от природы реагирующих веществ;

R - универсальная газовая постоянная [8,314 Дж/ (моль К) = 0,082 л атм/ (моль К)];

Ea - энергия активации, т.е. энергия, которой должны обладать сталкивающиеся молекулы, чтобы столкновение привело к химическому превращению.

А - реагенты, В - активированный комплекс (переходное состояние), С - продукты.

Чем больше энергия активации Ea, тем сильнее возрастает скорость реакции при увеличении температуры.

. Поверхность соприкосновения реагирующих веществ. Для гетерогенных систем (когда вещества находятся в разных агрегатных состояниях), чем больше поверхность соприкосновения, тем быстрее протекает реакция. Поверхность твердых веществ может быть увеличена путем их измельчения, а для растворимых веществ - путем их растворения.

. Катализ. Вещества, которые участвуют в реакциях и увеличивают ее скорость, оставаясь к концу реакции неизменными, называются катализаторами. Механизм действия катализаторов связан с уменьшением энергии активации реакции за счет образования промежуточных соединений. При гомогенном катализе реагенты и катализатор составляют одну фазу (находятся в одном агрегатном состоянии), при гетерогенном катализе - разные фазы (находятся в различных агрегатных состояниях). Резко замедлить протекание нежелательных химических процессов в ряде случаев можно добавляя в реакционную среду ингибиторы (явление "отрицательного катализа").

реальное пространство фурье теплота

Список литературы

1. Кузьменко, Н.Е. Химия. Ответы на вопросы / Н.Е. Кузьменко, В.В. Еремин. - М., 1997. - 284 с.

2. Найдыш, В.М. Концепции современного естествознания: Учеб. пособ. для студ. вузов, обуч. по гуманитар. спец. / В.М. Найдыш. - М.: Гардарика, 1999. - 475 с.

. Грушевицкая Т.Г., Садохин В.П. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие-М.: Высш. шк., 1998. - 383 с.

. Солопов Е.Ф. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие для вузов. - М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 1998. - 232 с.

. Рузавин, Г.И. Концепции современного естествознания / Г.И. Рузавин. - М.: Культура и спорт: ЮНИТИ, 1997. - 287 с.

. Горелов, А.А. Концепции современного естествознания: Курс лекций / А.А. Горелов. - М.: Центр, 1997. - 208 с.