Newton wprowadził pojęcie czasu absolutnego. Wielka encyklopedia ropy i gazu

Izaaka Newtona

Współczesna fizyka porzuciła koncepcję absolutnej przestrzeni i czasu charakterystyczną dla klasycznej fizyki Newtona. Teoria relatywistyczna wykazała, że ​​przestrzeń i czas są względne. Nie ma, jak widać, częściej powtarzanych zwrotów w pracach z historii fizyki i filozofii. Nie wszystko jest jednak takie proste i takie stwierdzenia wymagają pewnych wyjaśnień (choć dość językowych). Jednak powrót do początków czasami okazuje się bardzo przydatny dla zrozumienia obecnego stanu nauki.

Jak wiemy, czas można mierzyć za pomocą jednolitego procesu okresowego. Jednak bez czasu, skąd wiemy, że procesy mundur? Logiczne trudności w definiowaniu takich podstawowych pojęć są oczywiste. Należy postulować jednolitość zegara i nazwać ją równomiernym upływem czasu. Na przykład, definiując czas za pomocą ruchu jednostajnego i liniowego, przekształcamy w ten sposób pierwszą zasadę Newtona w definicję równomiernego upływu czasu. Zegar chodzi równomiernie, jeśli ciało, na które nie działają żadne siły, porusza się prostoliniowo i równomiernie (według tego zegara). W tym przypadku ruch rozważa się w odniesieniu do inercjalnego układu odniesienia, który do swojej definicji potrzebuje również pierwszego prawa Newtona i równomiernie działającego zegara.

Kolejna trudność wiąże się z faktem, że dwa procesy, które są jednakowo jednolite na danym poziomie dokładności, przy dokładniejszym pomiarze mogą okazać się stosunkowo nierówne. I stale stajemy przed koniecznością wyboru coraz bardziej niezawodnego standardu jednorodności upływu czasu.

Jak już wspomniano, proces uważa się za jednolity i mierzenie czasu za jego pomocą jest dopuszczalne, o ile wszystkie pozostałe zjawiska zostaną opisane w możliwie najprostszy sposób. Oczywiście przy takim definiowaniu czasu wymagany jest pewien stopień abstrakcji. Ciągłe poszukiwania odpowiedniego zegarka wiążą się z wiarą w jakąś obiektywną właściwość czasu, który ma równomierne tempo.

Newton doskonale zdawał sobie sprawę z istnienia takich trudności. Ponadto w swoich „Zasadach” wprowadził pojęcia czasu absolutnego i względnego, aby podkreślić potrzebę abstrakcji, wyznaczania na podstawie czasu względnego (zwykłego, mierzonego) swojego pewnego modelu matematycznego – czasu absolutnego. I w tym jego rozumienie istoty czasu nie odbiega od współczesnego, choć ze względu na różnice w terminologii było trochę zamieszania.

Przejdźmy do „Matematycznych zasad filozofii naturalnej” (1687). Skrócone sformułowania Newtonowskiej definicji czasu bezwzględnego i względnego są następujące:

Czas absolutny (matematyczny) płynie równomiernie, bez żadnego związku z czymkolwiek zewnętrznym. Czas względny (zwykły) jest miarą trwania, pojmowaną zmysłami poprzez dowolny ruch.

Związek tych dwóch pojęć i ich potrzebę widać wyraźnie z następującego wyjaśnienia:

Czas absolutny odróżnia się w astronomii od zwykłego czasu słonecznego równaniem czasu. Bowiem naturalne dni słoneczne, traktowane jako równe w zwykłej mierze czasu, w rzeczywistości są sobie równe. Nierówność ta jest korygowana przez astronomów, aby przy pomiarach ruchów ciał niebieskich stosować bardziej poprawny czas. Możliwe, że nie ma takiego ruchu jednostajnego (w przyrodzie), za pomocą którego można by zmierzyć czas z doskonałą dokładnością. Wszystkie ruchy mogą przyspieszać lub zwalniać, ale upływ czasu absolutnego nie może się zmienić.

Czas względny Newtona jest czasem mierzonym, natomiast czas bezwzględny jest jego modelem matematycznym, którego właściwości wywodzą się z czasu względnego poprzez abstrakcję. W ogóle mówiąc o czasie, przestrzeni i ruchu Newton nieustannie podkreśla, że ​​są one rozumiane przez nasze zmysły, a zatem są zwyczajne (względne):

Wielkości względne nie są tymi samymi wielkościami, którym zwykle nadawane są nazwy, lecz jedynie wynikami pomiarów tych wielkości (prawdziwymi lub fałszywymi), pojmowanymi zmysłami i zwykle akceptowanymi jako same wielkości.

Konieczność zbudowania modelu tych pojęć wymaga wprowadzenia obiektów matematycznych (absolutnych), pewnych bytów idealnych, które nie zależą od niedokładności instrumentów. Stwierdzenie Newtona, że ​​„czas absolutny płynie równomiernie i nie ma żadnego związku z niczym zewnętrznym” jest zwykle interpretowane w sensie niezależności czasu od ruchu. Jak jednak widać z powyższych cytatów, Newton mówi o konieczności abstrahowania od ewentualnych niedokładności w równomiernym działaniu dowolnego zegara. Dla niego czas absolutny i matematyczny są synonimami!

Newton nigdzie nie porusza kwestii, że prędkość czasu może być różna w różnych przestrzeniach względnych (układach odniesienia). Oczywiście mechanika klasyczna implikuje taką samą równomierność upływu czasu dla wszystkich układów odniesienia. Jednakże ta właściwość czasu wydaje się na tyle oczywista, że ​​Newton, bardzo precyzyjny w swoich sformułowaniach, nie omawia jej ani nie formułuje jako jednej z definicji czy praw swojej mechaniki. To właśnie ta właściwość czasu została odrzucona przez teorię względności. Absolutnie w tym samym czasie w rozumieniu Newtona jest nadal obecny w paradygmacie współczesnej fizyki.

Przejdźmy teraz do przestrzeni fizycznej Newtona. Jeśli przez przestrzeń absolutną rozumiemy istnienie jakiegoś wybranego, uprzywilejowanego układu odniesienia, to nie trzeba przypominać, że w mechanice klasycznej on nie istnieje. Doskonałym tego przykładem jest znakomity opis Galileusza dotyczący niemożności określenia bezwzględnego ruchu statku. Tym samym teoria relatywistyczna nie mogła porzucić tego, czego brakowało mechanice klasycznej.

Jednak pytanie Newtona o związek między przestrzenią absolutną i względną nie jest wystarczająco jasne. Z jednej strony, zarówno w odniesieniu do czasu, jak i przestrzeni, termin „względny” używany jest w znaczeniu „wielkości mierzalnej” (zrozumiałej dla naszych zmysłów), a „absolutny” w znaczeniu „jego modelu matematycznego”:

Przestrzeń absolutna w swej istocie, niezależnie od tego, co zewnętrzne, pozostaje zawsze taka sama i nieruchoma. Względne jest jego miarą lub jakąś ograniczoną ruchomą częścią, którą nasze zmysły wyznaczają na podstawie jej położenia względem określonych ciał, a która w życiu codziennym jest przyjmowana jako przestrzeń nieruchoma.

Z drugiej strony w tekście pojawiają się rozważania na temat marynarza na statku, co można interpretować także jako opis wybranego układu odniesienia:

Jeżeli sama Ziemia się porusza, to prawdziwy absolutny ruch ciała można wyznaczyć na podstawie prawdziwego ruchu Ziemi w nieruchomej przestrzeni oraz na podstawie względnych ruchów statku względem Ziemi i ciała na statku.

Wprowadzono zatem koncepcję ruchu absolutnego, co jest sprzeczne z zasadą względności Galileusza. Wprowadzono jednak przestrzeń absolutną i ruch, aby od razu podać w wątpliwość ich istnienie:

Całkowicie jednak nie da się zobaczyć czy w inny sposób rozróżnić za pomocą naszych zmysłów poszczególnych części tej przestrzeni od siebie, zamiast tego musimy zwrócić się do wymiarów dostępnych zmysłom. Na podstawie położenia i odległości obiektów od dowolnego ciała uznanego za nieruchome określamy miejsca w ogóle. Niemożliwe jest również określenie prawdziwego spokoju ich (ciał) na podstawie ich wzajemnego położenia.

Być może potrzeba uwzględnienia przestrzeni absolutnej i znajdującego się w niej ruchu absolutnego wiąże się z analizą relacji pomiędzy inercyjnymi i nieinercjalnymi układami odniesienia. Omawiając doświadczenie z obrotowym wiadrem wypełnionym wodą, Newton pokazuje, że ruch obrotowy jest absolutny w tym sensie, że można go wyznaczyć w ramach układu wiadro-woda na podstawie kształtu wklęsłej powierzchni wody. Pod tym względem jego punkt widzenia również jest zbieżny ze współczesnym. Nieporozumienie wyrażone w sformułowaniach podanych na początku tego podrozdziału wynika z zauważalnych różnic w semantyce użycia terminów „absolutny” i „względny” przez Newtona i współczesnych fizyków. Kiedy mówimy o esencji absolutnej, mamy na myśli to, że jest ona opisywana w ten sam sposób różnym obserwatorom. Rzeczy względne mogą wyglądać inaczej dla różnych obserwatorów. Zamiast „absolutnej przestrzeni i czasu” mówimy dziś „matematyczny model przestrzeni i czasu”.

Dlatego ci, którzy interpretują w nim te słowa, rzeczywiście naruszają znaczenie Pisma Świętego.

Struktura matematyczna zarówno mechaniki klasycznej, jak i teorii relatywistycznej jest dobrze znana. Właściwości, jakie te teorie nadają przestrzeni i czasowi, wynikają jednoznacznie z tej struktury. Niejasne (filozoficzne) dyskusje na temat przestarzałej „absolutności” i rewolucyjnej „względności” raczej nie przybliżą nas do rozwiązania Głównej Tajemnicy.

Siedzący obok niego Francuz, profesor Vavier, kontynuował tę myśl:

Co więcej: po powrocie na Ziemię bardzo realistycznie spojrzymy na czas. Czas od którego teraz uciekamy z prędkością światła. Mój dwuletni syn będzie już trzydziestodwuletnim mężczyzną. Kto wie, może za tydzień zostanę dziadkiem.

John z niedowierzaniem spojrzał na zegarek. Pokazali 15:11 23 lipca 1981 roku. Trzeci dzień lotu, który dla astronautów miał trwać miesiąc, dla reszty Ziemian całe trzydzieści lat i, co najważniejsze, dla wujka Harveya, który dożywał swoich dni!

Japoński Okada, główny chronolog, zauważył niedowierzające spojrzenie Johna i uśmiechnął się:

Widzę, że nie jesteś w stanie zrozumieć tych rzeczy, jeśli chodzi o czas i przestrzeń...

„Kiedyś czytałem historię Wellsa „Najnowszy akcelerator” – wtrącił się Vavier – „gdzie czas również „kurczy się”, tak jak nasz.

„I jakimś cudem trafiłem na „Zagubiony horyzont” Jamesa Hiltona – dodał profesor Iwanow – „opowieść o pewnej dolinie w Tybecie, gdzie czas płynął wolniej. Po co jednak wyruszać do takiej dżungli w poszukiwaniu „szkła powiększającego czasu”? Wystarczy obejrzeć film w zwolnionym tempie (jak to się zwykle mówi, co jest całkowicie błędne, wszystko jest odwrotnie - to film przyspieszony!), aby zobaczyć, jak spada na przykład tańcząca w powietrzu szklanka. na stole przez kilka minut lub kwiat (to tam. To tylko film w zwolnionym tempie) rozpływa się w ciągu kilku sekund...

Ale pionierem w tej dziedzinie był być może Andersen – Duńczyk Jansen nie byłby Duńczykiem, gdyby tego nie powiedział. - Pamiętasz oczywiście tę bajkę, w której księżniczka tuż przed ślubem jakimś cudem znalazła się w niebie, spędziła tam tylko trzy miesiące, a potem wróciła do kochanka. I w tym czasie, że tak powiem, „pomiędzy”, minęło na Ziemi wiele setek lat, a biedna podróżniczka w czasie znalazła w swojej stolicy jedynie bardzo starożytny pomnik pewnej księżniczki, która niespodziewanie zniknęła tuż przed ślubem…

Astronauci umilkli, pomyślał John: „Co się stanie, jeśli nasza wyprawa trochę się opóźni i wrócimy nie w 2011 r., ale powiedzmy w 2100 r. Czy prawo do dziedziczenia wygaśnie?” Aby nie myśleć o prawdopodobieństwie tak smutnych okoliczności, przemówił ponownie:

Można mi zarzucić niewiedzę, ale ja po prostu nie rozumiem tych różnych czasów. Dla mnie czas jest zawsze czasem. Jeden raz.

Czy naprawdę jest tylko jeden? – zauważył z powątpiewaniem profesor Okada. - Sam w to nie wierzysz. Ile razy powiedziałeś i usłyszałeś następujące zwroty: „Co za czasy!”, „Ciężkie czasy” i tak dalej. Usłysz: „czasy”, a nie „czas”! Mnogi!

Tak właśnie mówią...

Ale tak właśnie jest. Dlaczego do cholery miałby być tylko jeden raz? Czas jest formą istnienia materii, rytmem tego istnienia. Istnienie może być zatem różne, więc rytmy też. Nawet organy beczkowe są w stanie zmieniać swój rytm w zależności od prędkości, z jaką kręcimy korbą. Nawet u najbardziej pedantycznego muzyka, który ciągle uderza w ten sam klawisz w równych odstępach czasu, nawet u niego zauważymy zmianę rytmu, gdyż nie da się zachować absolutnie tej samej częstotliwości i siły uderzeń. Cóż więc można powiedzieć o superorkiestrze symfonicznej, jaką jest świat! Jest całkowicie jasne, że dla takiego Metuszelacha jak na przykład uran z jego długim okresem półtrwania, tysiąc lat to dla nas jedna chwila! I znowu, nasza ludzka chwila, trwająca pół sekundy, powinna wydawać się astronomicznie długim okresem dla jakiegoś Antymetuzalema, na przykład pi-mezonu, który – jak obliczył dr Glasser w 1961 roku – „żyje” przez prawie dwie dziesięciomilionowe części miliardowej sekundy!

„Teraz coś rozumiem” – dodał John z poczuciem winy, ale profesor Okada niecierpliwie machnął ręką:

Osoba, która mówi „teraz rozumiem”, nadal niewiele rozumie na temat czasu! „Teraz” dla człowieka nie jest bynajmniej obiektywną nowoczesnością, ale… przeszłością! Przykładowo, patrząc na Słońce z Ziemi, nie widzisz go takim, jakie jest „teraz” w twoim rozumieniu, ale postrzegasz jedynie to, co w danej chwili zarejestrowała siatkówka twojego oka, czyli fotografię Słońce takie, jakie było przez całe osiem lat, minuty temu. Dokładnie tyle czasu potrzebuje światło, aby dotrzeć ze Słońca do ludzkiego oka. Nawet nie widać wyrazu mojej twarzy „teraz”, ale dopiero w przyszłości, chociaż blisko, czyli za... jedną trzystumilionową sekundy, bo „teraz” jestem w odległości metr od ciebie.

A to wszystko przez Einsteina” – westchnął żartobliwie profesor Iwanow. – Do początków naszego stulecia z biegiem czasu wszystko było proste. Newton, podobnie jak wielu przed nim i po nim, argumentował; „Czas absolutny płynie równomiernie i niezależnie od jakiegokolwiek obiektu”.

Nawet gdybym nie wiedział o teorii Einsteina” – zauważył profesor Vavier – „i tak domyśliłbym się, że coś jest nie tak z tą jednolitością i jednością czasu. Po powrocie do szkoły zauważyłem, że godzina gry w piłkę nożną była znacznie krótsza niż godzina matematyki, czego szczerze nienawidziłem.

Panie, miej litość! - wykrzyknął profesor Iwanow, poważnie przestraszony - w takim razie jakim cudem objąłeś stanowisko Pierwszego Matematyka? Jeśli pomylisz się w obliczeniach i „kopniesz” naszą rakietę jak piłkę nożną w nieco innym kierunku, to nasze spotkanie z czasem i przestrzenią może zakończyć się bardzo źle! Czy możemy w ogóle...

Nie dokończył, pamiętając, że etyka kosmiczna uważa żarty o śmierci w kosmosie za przejaw złego smaku, coś w rodzaju żartów o teściowej.

Zagadnienia przestrzeni i czasu zawsze interesowały społeczeństwo ludzkie. Jedna z koncepcji tych koncepcji wywodzi się od starożytnych atomistów – Demokryta, Epikura i innych, którzy wprowadzili do obiegu naukowego pojęcie pustej przestrzeni i uznali ją za jednorodną i nieskończoną.

Tworząc ogólny obraz wszechświata, Izaak Newton (1642-1726) nie mógł oczywiście pominąć także kwestii pojęcia przestrzeni i czasu.

Według Newtona świat składa się z materii, przestrzeni i czasu. Te trzy kategorie są od siebie niezależne. Materia zlokalizowana jest w nieskończonej przestrzeni. Ruch materii odbywa się w przestrzeni i czasie. Newton podzielił przestrzeń na absolutną i względną. Przestrzeń absolutna jest nieruchoma, nieskończona. Względność jest częścią absolutu. Klasyfikował także czas. Przez czas podabsolutny, prawdziwy (matematyczny) rozumiał czas, który płynie zawsze i wszędzie równomiernie, a czas względny, zdaniem Newtona, jest miarą trwania istniejącą w prawdziwym życiu: sekunda, minuta, godzina, dzień, miesiąc, rok. Dla Newtona czas absolutny istnieje i trwa samodzielnie, niezależnie od jakichkolwiek zdarzeń. Absolutna przestrzeń i absolutny czas reprezentują pojemnik wszystkich materialnych ciał i przestrzeni i nie zależą ani od tych ciał, ani od tych procesów, ani od siebie nawzajem.

Newton definiuje masę jako ilość materii i wprowadza pojęcie „siły biernej” (siły bezwładności) i „siły czynnej”, która powoduje ruch ciał.

Po przestudiowaniu i zidentyfikowaniu wzorców ruchu Newton sformułował swoje prawa w następujący sposób:

1. prawo. Każde ciało kontynuuje swój stan spoczynku lub jednostajny ruch prostoliniowy, ponieważ przyłożone siły nie zmuszają go do zmiany tego stanu.

2. prawo. Zmiana ruchu musi być proporcjonalna do przyłożonej siły napędowej i następować w kierunku prostej, wzdłuż której ta siła działa.

3. prawo. Działanie zawsze spotyka się z równym przeciwstawieniem, czyli oddziaływanie dwóch ciał na siebie jest sobie równe i skierowane w przeciwne strony.

Obecnie słynne prawa formułuje się w wygodniejszej formie:

> 1. Każde ciało materialne utrzymuje stan spoczynku lub jednostajny ruch prostoliniowy do czasu, aż wpływ innych ciał zmusi je do zmiany tego stanu. Nazywa się dążenie ciała do utrzymania stanu spoczynku lub jednostajnego ruchu prostoliniowego bezwładność. Dlatego pierwszą zasadę nazywa się także prawem bezwładności.

> 2. Przyspieszenie, jakie uzyskuje ciało, jest wprost proporcjonalne do siły działającej na to ciało i odwrotnie proporcjonalne do masy ciała.

> 3. Siły, z jakimi oddziałują na siebie ciała, są równe co do wielkości i przeciwne w kierunku.

Drugie prawo Newtona jest nam znane jako

F= m×a, Lub A= P/m

gdzie przyspieszenie a, jakie uzyskuje ciało pod wpływem siły F, jest odwrotnie proporcjonalne do masy ciała M. Ogrom M zwana masą bezwładności ciała, charakteryzuje zdolność organizmu do przeciwstawienia się działającej („aktywnej”) sile, czyli do utrzymania stanu spoczynku. Drugie prawo Newtona obowiązuje tylko w inercjalnych układach odniesienia.

Pierwsze prawo można uzyskać z drugiego, ponieważ przy braku wpływu innych sił na ciało przyspieszenie również wynosi zero. Jednakże pierwsze prawo uważane jest za prawo niezależne, gdyż stwierdza istnienie inercjalnych układów odniesienia.

>Inercyjne układy odniesienia- są to układy, w których obowiązuje zasada bezwładności: punkt materialny, gdy nie działają na niego żadne siły (lub działają na niego siły wzajemnie zrównoważone), znajduje się w stanie spoczynku lub jednostajnym ruchu liniowym.

Teoretycznie może istnieć dowolna liczba jednakowych inercjalnych układów odniesienia i we wszystkich takich układach prawa fizyki są takie same. Mówi o tym zasada względności Galileusza (1636).

Naukowy dowód istnienia powszechnego ciążenia i matematyczny wyraz opisującego je prawa stał się możliwy dopiero na podstawie praw mechaniki odkrytych przez I. Newtona. Prawo powszechnego ciążenia sformułował Newton w swoim dziele „Matematyczne zasady filozofii naturalnej” (1687).

Newton sformułował prawo powszechnego ciążenia w następujących tezach: „grawitacja istnieje w ogóle dla wszystkich ciał i jest proporcjonalna do masy każdego z nich”, „grawitacja względem poszczególnych równych cząstek ciał jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratów odległości miejsca na cząstki.” Prawo to jest znane jako:

gdzie m 1, w 2 to masy dwóch cząstek, R- odległość między nimi, G- stała grawitacyjna (w układzie SI G= 6,672 · 10 -11 m 2 /kg 2). Fizyczne znaczenie stałej grawitacji polega na tym, że charakteryzuje ona siłę przyciągania pomiędzy dwiema masami o masie 1 kg znajdującymi się w odległości 1 m.

Po odkryciu prawa powszechnego ciążenia Newton był w stanie odpowiedzieć na pytanie, dlaczego Księżyc kręci się wokół Ziemi i dlaczego planety krążą wokół Słońca. W każdym indywidualnym przypadku potrafił obliczyć siłę ciężkości. Ale w jaki sposób przenoszone jest oddziaływanie między przyciągającymi się masami, jaka jest natura tej siły, Newton nie potrafił wyjaśnić.

W pracach Newtona grawitacja jest siłą działającą na duże odległości i niejako bez pośrednika materialnego.

Doprowadziło to do koncepcji „działania dalekiego zasięgu”. Newton nie potrafił wyjaśnić natury „działania na odległość”. Myślał o jakimś materialnym „agencie”, za pomocą którego odbywa się oddziaływanie grawitacyjne, ale nie udało mu się rozwiązać tego problemu. Mechanika nieba, bazując na prawie powszechnego ciążenia Newtona, dopuszcza zasadniczą możliwość natychmiastowego przesyłania sygnałów, co jest sprzeczne ze współczesną fizyką (ogólna teoria względności). Dlatego dosłowne zrozumienie prawa grawitacji Newtona jest nie do przyjęcia ze współczesnego punktu widzenia.

Paradygmat mechanistyczny Newtona w naukach przyrodniczych dominował przez ponad 200 lat, choć był krytykowany w wielu kwestiach, m.in. w rozumieniu przestrzeni i czasu (Leibniz, Hegel, Berkeley i in.). Na przełomie XIX i XX w. Powstały zasadniczo nowe pomysły naukowe na temat otaczającej przyrody. Pojawiły się nowe paradygmaty: najpierw relatywistyczny, a potem kwantowy (patrz wcześniej). Koncepcja pola jako środowiska materialnego łączącego cząstki materii i wszystkie obiekty fizyczne świata materialnego w pełni wpisała się w fizyczny obraz świata. We współczesnej fizyce znane są cztery rodzaje interakcji obiektów materialnych: elektromagnetyczne, grawitacyjne, silne i słabe (patrz wyżej). Odpowiadają za wszystkie procesy interakcji.

3.2. Prawa konserwatorskie

Rozważmy najbardziej ogólne prawa zachowania, które rządzą całym światem materialnym i które wprowadzają do fizyki szereg podstawowych pojęć: energię, pęd (pęd), moment pędu, ładunek.

Prawo zachowania pędu

Jak wiadomo, ilość ruchu, czyli impulsu, jest iloczynem prędkości i masy poruszającego się ciała: p = mv Ta wielkość fizyczna pozwala znaleźć zmianę ruchu ciała w określonym przedziale czasu. Aby rozwiązać ten problem, trzeba by niezliczoną ilość razy zastosować drugie prawo Newtona, we wszystkich pośrednich chwilach czasu. Prawo zachowania pędu (pędu) można uzyskać, korzystając z drugiej i trzeciej zasady Newtona. Jeśli weźmiemy pod uwagę dwa (lub więcej) punkty materialne (ciała) oddziałujące ze sobą i tworzące układ odizolowany od działania sił zewnętrznych, to podczas ruchu impulsy każdego punktu (ciała) mogą się zmieniać, ale całkowity impuls system musi pozostać niezmieniony:

M 1 w + M 1 w 2 = stała

Oddziałujące ze sobą ciała wymieniają impulsy, zachowując impuls całkowity.

W ogólnym przypadku otrzymujemy:

gdzie P Σ jest całkowitym, całkowitym impulsem układu, M I w I- impulsy poszczególnych współpracujących części układu. Sformułujmy prawo zachowania pędu:

> Jeżeli suma sił zewnętrznych wynosi zero, pęd układu ciał pozostaje stały podczas wszelkich procesów w nim zachodzących.

Przykład działania zasady zachowania pędu można rozważyć w procesie interakcji łodzi z osobą, która zakopała nos w brzegu, a osoba w łodzi szybko przechodzi od rufy do dziobu przy prędkość w 1 . W takim przypadku łódź będzie oddalać się od brzegu z dużą prędkością w 2 :

Podobny przykład można podać w przypadku pocisku, który eksplodował w powietrzu na kilka części. Suma wektorowa impulsów wszystkich fragmentów jest równa impulsowi pocisku przed eksplozją.

Prawo zachowania momentu pędu

Wygodnie jest scharakteryzować obrót ciał sztywnych za pomocą wielkości fizycznej zwanej momentem pędu.

Kiedy sztywne ciało obraca się wokół ustalonej osi, każda pojedyncza cząstka tego ciała porusza się po okręgu o promieniu r ja z pewną prędkością liniową w I. Prędkość w I i pęd p = m I v ja prostopadle do promienia r i. Produkt impulsu p = m I w I na promień R I nazywa się momentem pędu cząstki:

L I= M I w I R I= P I R I·

Moment pędu całego ciała:

Jeśli zastąpimy prędkość liniową prędkością kątową (v i = ωr i), to

gdzie J = mr 2 jest momentem bezwładności.

To znaczy moment pędu układu zamkniętego nie zmienia się w czasie L= stała i Jω = stała.

W tym przypadku moment pędu poszczególnych cząstek wirującego ciała może zmieniać się według potrzeb, ale całkowity moment pędu (suma pędu poszczególnych części ciała) pozostaje stały. Prawo zachowania momentu pędu można wykazać obserwując łyżwiarza kręcącego się na łyżwach z rękami wyciągniętymi na boki i ramionami uniesionymi nad głowę. Ponieważ Jω = const, to w drugim przypadku moment bezwładności J maleje, co oznacza, że ​​prędkość kątowa u musi rosnąć, ponieważ Jω = const.

Prawo zachowania energii

Energia jest uniwersalną miarą różnych form ruchu i interakcji. Energia oddana przez jedno ciało drugiemu jest zawsze równa energii otrzymanej przez drugie ciało. Aby określić ilościowo proces wymiany energii pomiędzy oddziałującymi ciałami, mechanika wprowadza koncepcję pracy siły wywołującej ruch.

Energia kinetyczna układu mechanicznego jest energią ruchu mechanicznego tego układu. Siła powodująca ruch ciała działa, a energia poruszającego się ciała rośnie wraz z ilością włożonej pracy. Jak wiadomo, ciało masowe M, poruszać się z dużą prędkością v, ma energię kinetyczną mi= mw 2 /2.

Energia potencjalna to energia mechaniczna układu ciał, które oddziałują poprzez pola siłowe, na przykład poprzez siły grawitacyjne. Praca wykonana przez te siły podczas przemieszczania ciała z jednego położenia do drugiego nie zależy od trajektorii ruchu, lecz zależy jedynie od początkowego i końcowego położenia ciała w polu siłowym.

Takie pola siłowe nazywane są potencjałami, a działające w nich siły nazywane są konserwatywny. Siły grawitacyjne to siły zachowawcze i energia potencjalna ciała o masie M, podniesiony do wysokości H nad powierzchnią Ziemi jest równa

E pot = mgh,

Gdzie G- przyśpieszenie grawitacyjne.

Całkowita energia mechaniczna jest równa sumie energii kinetycznej i potencjalnej:

mi= E kin + E pot

Prawo zachowania energii mechanicznej(1686, Leibniz) stwierdza, że ​​w układzie ciał, pomiędzy którymi działają wyłącznie siły zachowawcze, całkowita energia mechaniczna pozostaje niezmieniona w czasie. W takim przypadku przemiany energii kinetycznej w energię potencjalną i odwrotnie mogą zachodzić w ilościach równoważnych.

Istnieje inny typ układu, w którym energię mechaniczną można zmniejszyć poprzez konwersję na inne formy energii. Na przykład, gdy układ porusza się z tarciem, część energii mechanicznej ulega zmniejszeniu z powodu tarcia. Takie systemy nazywane są rozpraszający, to znaczy systemy rozpraszające energię mechaniczną. W takich układach nie obowiązuje zasada zachowania całkowitej energii mechanicznej. Jednakże, gdy energia mechaniczna maleje, zawsze pojawia się ilość energii innego rodzaju równoważna temu spadkowi. Zatem, energia nigdy nie znika ani nie pojawia się ponownie, zmienia się jedynie z jednego rodzaju na drugi. Tutaj manifestuje się właściwość niezniszczalności materii i jej ruchu.

Prawo zachowania ładunku

Ładunki elektryczne są źródłami pól elektromagnetycznych. Cały zespół zjawisk elektrycznych jest przejawem istnienia ruchu i oddziaływania ładunków elektrycznych.

Pod koniec XIX wieku. Angielski fizyk Thomson odkrył elektron – nośnik ujemnego elementarnego ładunku elektrycznego (-1,6 · 10-19 C) i na początku XX wieku. Rutherford odkrył proton, który ma ten sam elementarny ładunek dodatni. Ponieważ każda cząstka charakteryzuje się pewnym wrodzonym ładunkiem elektrycznym, prawo zachowania ładunku można rozpatrywać jako konsekwencję zachowania liczby cząstek, jeśli nie zachodzi wzajemna konwersja cząstek.

Kiedy ciała fizyczne ulegają naelektryzowaniu, liczba naładowanych cząstek nie zmienia się, a jedynie następuje ich redystrybucja w przestrzeni. Ogólnie rzecz biorąc, prawo zachowania ładunku można sformułować w następujący sposób:

> w układzie zamkniętym suma algebraiczna ładunków układu pozostaje niezmieniona w czasie, niezależnie od tego, jakie procesy zachodzą w tym układzie zamkniętym.

Koncepcja ta istnieje w fizyce od dawna, a w 1843 r. M. Faraday eksperymentalnie potwierdził to prawo. Podobnie jak inne przepisy dotyczące ochrony środowiska, prawo zachowania ładunku obowiązują na wszystkich poziomach strukturalnych świata materialnego.

Prawo zachowania ładunku wraz z prawem zachowania energii charakteryzują stabilność elektronu. Nie może samoistnie przekształcić się w cząstkę cięższą lub lżejszą.

W pierwszym przypadku nie pozwala na to zasada zachowania energii, a w drugim – zasada zachowania ładunku.

3.3. Zasady współczesnej fizyki

Zasada symetrii

Symetria rozumiana jest jako jednorodność, proporcjonalność, harmonia niektórych obiektów materialnych. Asymetria to koncepcja przeciwna. Każdy obiekt fizyczny zawiera elementy symetrii i asymetrii. Rozważmy symetrie w fizyce, chemii i biologii.

W fizyce symetrię definiuje się następująco: jeżeli prawa fizyczne nie zmieniają się pod wpływem pewnych przekształceń, jakim może zostać poddany układ (obiekt fizyczny), to uważa się, że prawa te mają symetrię (lub są niezmienne) względem tych przekształceń.

Symetrie dzielą się na czasoprzestrzenny I wewnętrzny, te ostatnie odnoszą się jedynie do mikrokosmosu.

Wśród czasoprzestrzennych rozważymy te główne.

1. Przesunięcie czasu. Zmiana pochodzenia nie zmienia praw fizycznych. Czas jest jednolity w całej przestrzeni.

2. Przesunięcie przestrzennego układu odniesienia za pomocą współrzędnych. Ta operacja nie zmienia praw fizycznych. Wszystkie punkty w przestrzeni mają równe prawa, a przestrzeń jest jednorodna.

3. Obracanie przestrzennego układu odniesienia za pomocą współrzędnych utrzymuje również niezmienne prawa fizyczne, co oznacza, że ​​przestrzeń jest izotropowa.

4. Klasyczny Zasada względności Galileusza ustala symetrię pomiędzy spoczynkiem a jednostajnym ruchem liniowym.

5. Odwrócenie znaku czasu nie zmienia podstawowych praw zachodzących w makrokosmosie, czyli procesy zachodzące w makrokosmosie można opisać także poprzez odwrócenie znaku czasu. Na poziomie makrokosmosu obserwuje się nieodwracalność procesów, gdyż są one związane ze stanem nierównowagowym Wszechświata.

W chemii symetrie przejawiają się w geometrycznej konfiguracji cząsteczek. Określa to zarówno właściwości chemiczne, jak i fizyczne cząsteczek. Większość prostych cząsteczek ma osie symetrii, płaszczyzny symetrii. Na przykład cząsteczka amoniaku NH3 jest regularną trójkątną piramidą, cząsteczka metanu CH4 jest regularnym czworościanem. Pojęcia symetrii są bardzo przydatne w teoretycznej analizie struktury związków złożonych, ich właściwości i zachowania.

W biologii symetrie są od dawna badane przez specjalistów. Najbardziej interesująca jest symetria strukturalna obiektów biologicznych. Przejawia się w postaci jednego lub drugiego regularnego powtórzenia. Na niższych etapach rozwoju żywej przyrody znajdują się przedstawiciele wszystkich klas symetrii punktowej (regularne wielościany, kule). Na wyższych etapach ewolucji rośliny i zwierzęta występują głównie z symetrią osiową i aktynomorficzną. Obiekty biologiczne o symetrii osiowej charakteryzują się osią symetrii (meduza, kwiat floksa), a aktynomorficzne - osią symetrii i płaszczyznami przecinającymi się na tej osi (na przykład motyl z symetrią dwustronną).

Symetria kryształów jest powszechnie znana. Wydaje się, że ta właściwość kryształów łączy się ze sobą w różnych pozycjach poprzez rotacje, odbicia i równoległe przeniesienia. O symetrii zewnętrznego kształtu kryształów decyduje symetria ich budowy atomowej.

Wszystko to wynika z symetrii właściwości fizycznych kryształów.

Symetria i prawa zachowania

W 1918 roku niemiecka matematyk Emmy Noether udowodniła podstawowe twierdzenie ustanawiające związek między właściwościami symetrii a prawami zachowania. Istotą twierdzenia jest to, że ciągłe przekształcenia czasoprzestrzeni, pozostawiające działanie niezmienne, to: przesunięcie w czasie, przesunięcie w przestrzeni, trójwymiarowa rotacja przestrzenna, czterowymiarowa rotacja w czasoprzestrzeni. Zgodnie z twierdzeniem Noether prawo zachowania energii wynika z niezmienności względem przesunięcia w czasie; z niezmienności względem przesunięć przestrzennych – zasada zachowania pędu; z niezmienności względem rotacji przestrzennej - prawo zachowania momentu pędu; niezmienność w ramach transformacji Lorentza (czterowymiarowe obroty w czasoprzestrzeni) - uogólnione prawo ruchu środka masy: środek masy układu relatywistycznego porusza się jednostajnie i prostoliniowo. Twierdzenie Noether ma zastosowanie nie tylko do symetrii czasoprzestrzennych, ale także symetrii wewnętrznych. Przykładowo podczas wszystkich przemian cząstek elementarnych suma ładunków elektrycznych cząstek pozostaje niezmieniona.

Prawo zachowania ładunku w makrosystemach zostało potwierdzone eksperymentalnie na długo przed Noether, w 1843 roku przez M. Faradaya. Nie ma ścisłego naukowego wyjaśnienia przyczyn spełnienia prawa zachowania ładunku.

Zasada komplementarności

Zasada komplementarności ma fundamentalne znaczenie we współczesnej fizyce. Pojęcie komplementarności wprowadził do nauki N. Bohr w 1928 roku. Był to czas kształtowania się mechaniki kwantowej. Trudno przecenić znaczenie zasady komplementarności dla rozwoju naszych wyobrażeń o świecie i poznania różnorodnych wzorców. Niemal zawsze działamy na zasadzie komplementarności. Zatem do scharakteryzowania wielu procesów fizycznych stosuje się jednocześnie dwie wielkości. Na przykład przy ocenie ruchu punktu materialnego - współrzędna punktu i jego prędkość. Jedna wartość wydaje się uzupełniać drugą. Jest to typowe dla prawie wszystkich poruszających się obiektów materialnych. Tak w praktyce działa zasada komplementarności.

Zasada komplementarności szczególnie wyraźnie ujawnia się w mikrokosmosie. Wszystkie mikrocząstki mają dualistyczną naturę cząstkowo-falową. Metody instrumentalne umożliwiły wykrycie tej dwoistości mikrocząstek, najpierw w fotonie, następnie w elektronie i innych mikrocząstkach. Każde urządzenie do wykrywania mikrocząstek rejestruje je jako całość, zlokalizowaną na bardzo małym obszarze przestrzeni. Z drugiej strony można zaobserwować dyfrakcję i interferencję tych samych mikrocząstek na sieciach krystalicznych lub sztucznie utworzonych przeszkodach podczas ich ruchu, czyli mikrocząstki mają wyraźne właściwości falowe.

Jednak oceniając zjawiska otaczającego nas świata, jesteśmy niewolnikami naszych makroskopowych koncepcji. Dlatego obserwator oceniając mikroprocesy musi niewątpliwie przyjąć mikrocząstki jako obiekty zlokalizowane (cząstki lub korpuskuły), jednocześnie „spekulując” ich właściwości falowe. Obserwator musi zastosować dwie uzupełniające się koncepcje. Tylko w połączeniu z tymi dwoma zestawami pojęć informacja o mikroprocesach będzie wiarygodna.

Zatem jedna cecha może odzwierciedlać tylko część prawdy, a zbierając sprzeczne cechy jednego obiektu, można uzyskać pełny obraz tego obiektu. W ogólnej formie zasadę komplementarności można sformułować w następujący sposób:

> W dziedzinie zjawisk kwantowych najogólniejsze właściwości fizyczne dowolnego układu muszą być wyrażone w postaci uzupełniających się par zmiennych niezależnych, z których każdą można lepiej zdefiniować jedynie poprzez odpowiednie zmniejszenie stopnia pewności drugiej.

Zasada nieoznaczoności Heisenberga

Zasada nieoznaczoności jest podstawowym prawem mikroświata. Można to uznać za szczególny wyraz zasady komplementarności.

W mechanice klasycznej cząstka porusza się po określonej trajektorii i w dowolnym momencie można dokładnie określić jej współrzędne i pęd. Jeśli chodzi o mikrocząstki, pomysł ten jest błędny. Mikrocząstka nie ma jasno określonej trajektorii, ma zarówno właściwości cząstki, jak i fali (dwoistość falowo-cząsteczkowa). W tym przypadku pojęcie „długości fali w danym punkcie” nie ma fizycznego znaczenia, a ponieważ pęd mikrocząstki wyraża się poprzez długość fali - P= Do/ l, to wynika z tego, że mikrocząstka o pewnym pędzie ma zupełnie niepewną współrzędną i odwrotnie.

W. Heisenberg (1927), biorąc pod uwagę dwoistą naturę mikrocząstek, doszedł do wniosku, że nie jest możliwe jednoczesne scharakteryzowanie mikrocząstki zarówno współrzędnymi, jak i pędem z jakąkolwiek z góry określoną dokładnością.

Następujące nierówności nazywane są relacjami niepewności Heisenberga:

Δx Δ p x ≥ godz.,Δ yΔp y ≥ godz.,Δ zΔp z ≥ H.

Tutaj Δx, Δy, Δz oznaczają przedziały współrzędnych, w których można zlokalizować mikrocząstkę (przedziały te są niepewnościami współrzędnych), Δ px,Δ p,Δ P z oznaczają odstępy rzutów impulsów na osie współrzędnych x, y, z, godz- Stała Plancka. Zgodnie z zasadą nieoznaczoności im dokładniej zarejestrowany zostanie impuls, tym większa będzie niepewność współrzędnej i odwrotnie.

Zasada korespondencji

W miarę rozwoju nauki i pogłębiania się zgromadzonej wiedzy, nowe teorie stają się coraz dokładniejsze. Nowe teorie obejmują coraz szersze horyzonty świata materialnego i penetrują niezbadane wcześniej głębiny. Teorie dynamiczne zastępowane są teoriami statycznymi.

Każda fundamentalna teoria ma pewne granice stosowalności. Pojawienie się nowej teorii nie oznacza więc całkowitego zaprzeczenia starej. Zatem ruch ciał w makrokosmosie z prędkościami znacznie mniejszymi od prędkości światła zawsze będzie opisywany klasyczną mechaniką Newtona. Jednak przy prędkościach porównywalnych z prędkością światła (prędkości relatywistyczne) mechanika newtonowska nie ma zastosowania.

Obiektywnie rzecz biorąc, istnieje ciągłość podstawowych teorii fizycznych. Jest to zasada korespondencji, którą można sformułować w następujący sposób: żadna nowa teoria nie może być ważna, jeśli nie zawiera jako przypadku ograniczającego starej teorii odnoszącej się do tych samych zjawisk, ponieważ stara teoria sprawdziła się już w swojej dziedzinie.

3.4. Pojęcie stanu układu. Determinizm Laplace'a

W fizyce klasycznej system rozumiany jest jako zbiór pewnych części połączonych ze sobą w określony sposób. Te części (elementy) systemu mogą na siebie oddziaływać, przy czym zakłada się, że ich wzajemne oddziaływanie można zawsze oceniać z punktu widzenia związków przyczynowo-skutkowych pomiędzy oddziałującymi elementami systemu.

Nazywa się filozoficzną doktryną o obiektywności naturalnego związku i współzależności zjawisk świata materialnego i duchowego determinizm. Centralną koncepcją determinizmu jest istnienie przyczynowość; Przyczynowość ma miejsce, gdy jedno zjawisko powoduje powstanie innego zjawiska (skutku).

Fizyka klasyczna stoi na stanowisku sztywnego determinizmu, zwanego Laplace'em; to Pierre Simon Laplace ogłosił zasadę przyczynowości jako podstawowe prawo natury. Laplace uważał, że jeśli znane jest położenie elementów (niektórych ciał) układu i działające w nim siły, to można z całkowitą pewnością przewidzieć, jak każde ciało tego układu będzie się poruszać teraz i w przyszłości. Pisał: „Trzeba uważać obecny stan Wszechświata za konsekwencję stanu poprzedniego i przyczynę następnego. Umysł, który w danym momencie znałby wszystkie siły działające w przyrodzie i względne położenie wszystkich jej bytów składowych, gdyby był jeszcze na tyle rozległy, aby uwzględnić wszystkie te dane, ująłby w jedną i tę samą formułę ruchy największych ciał Wszechświata i najlżejszych atomów. Nic nie byłoby dla niego niepewne, a przyszłość, podobnie jak przeszłość, stanęłaby mu przed oczami.” Tradycyjnie to hipotetyczne stworzenie, które mogło (według Laplace'a) przewidzieć rozwój Wszechświata, nazywane jest w nauce „demonem Laplace'a”.

W klasycznym okresie rozwoju nauk przyrodniczych utwierdzano pogląd, że jedynie prawa dynamiczne w pełni charakteryzują przyczynowość w przyrodzie.

Laplace starał się wyjaśniać cały świat, w tym zjawiska fizjologiczne, psychologiczne i społeczne, z punktu widzenia determinizmu mechanistycznego, który uważał za metodologiczną zasadę konstruowania każdej nauki. Laplace widział przykład formy wiedzy naukowej w mechanice niebieskiej. Zatem determinizm Laplace'a zaprzecza obiektywnej naturze przypadku, koncepcji prawdopodobieństwa zdarzenia.

Dalszy rozwój nauk przyrodniczych doprowadził do powstania nowych koncepcji przyczyny i skutku. W przypadku niektórych procesów naturalnych trudno jest ustalić przyczynę - np. rozpad radioaktywny następuje losowo. Nie da się jednoznacznie powiązać czasu „ucieczki” cząstki α lub β z jądra z wartością jej energii. Takie procesy są obiektywnie losowe. Szczególnie wiele takich przykładów jest w biologii. We współczesnych naukach przyrodniczych współczesny determinizm oferuje różne, obiektywnie istniejące formy wzajemnych powiązań procesów i zjawisk, z których wiele wyraża się w postaci relacji, które nie mają wyraźnych powiązań przyczynowych, to znaczy nie zawierają momentów generowania jednego przez inny. Są to powiązania czasoprzestrzenne, relacje symetrii i pewnych zależności funkcjonalnych, zależności probabilistyczne itp. Jednakże wszelkie formy realnych interakcji zjawisk powstają w oparciu o uniwersalną czynną przyczynowość, poza którą nie istnieje ani jedno zjawisko rzeczywistości, w tym tzw. zjawiska losowe, w sumie których manifestują się prawa statyczne.

Nauka stale się rozwija i wzbogaca się o nowe koncepcje, prawa i zasady, co wskazuje na ograniczenia determinizmu Laplace'a. Jednak fizyka klasyczna, w szczególności mechanika klasyczna, nadal ma swoją niszę zastosowania. Jego prawa mają zastosowanie do stosunkowo powolnych ruchów, których prędkość jest znacznie mniejsza niż prędkość światła. Znaczenie fizyki klasycznej w epoce nowożytnej dobrze określił jeden z twórców mechaniki kwantowej, Niels Bohr: „Bez względu na to, jak daleko zjawiska wychodzą poza klasyczne wyjaśnienia fizyczne, wszystkie dane eksperymentalne muszą być opisywane przy użyciu klasycznych pojęć. Uzasadnieniem tego jest po prostu dokładne określenie znaczenia słowa „eksperyment”. Słowem „eksperyment” wskazujemy na sytuację, w której możemy powiedzieć innym dokładnie, czego zrobiliśmy i czego się dokładnie nauczyliśmy. Dlatego układ eksperymentu i wyniki obserwacji należy jednoznacznie opisać językiem fizyki klasycznej.

3.5. Szczególna teoria względności (SRT)

Wprowadzenie do stacji paliw

Z teorią względności zapoznajemy się w szkole średniej. Teoria ta wyjaśnia nam zjawiska otaczającego świata w sposób sprzeczny ze „zdrowym rozsądkiem”. To prawda, to samo zauważył kiedyś A. Einstein: „Zdrowy rozsądek to uprzedzenia, które rozwijają się przed ukończeniem osiemnastu lat”.

Już w XVIII wieku. Naukowcy próbowali odpowiedzieć na pytania dotyczące sposobu przenoszenia oddziaływań grawitacyjnych i sposobu rozchodzenia się światła (później wszelkich fal elektromagnetycznych). Poszukiwanie odpowiedzi na te pytania było przyczyną rozwoju teorii względności.

W 19-stym wieku fizycy byli przekonani, że istnieje tak zwany eter (eter świata, eter świetlny). Według idei minionych stuleci jest to rodzaj wszechprzenikającego, wszechwypełniającego środowiska. Rozwój fizyki w drugiej połowie XIX wieku. wymagało od naukowców możliwie największej konkretyzacji swoich poglądów na temat eteru. Jeśli założymy, że eter jest jak gaz, to mogą się w nim rozchodzić tylko fale podłużne, a fale elektromagnetyczne - poprzecznie. Nie jest jasne, w jaki sposób ciała niebieskie mogłyby poruszać się w takim eterze. Do transmisji zgłoszono inne poważne zastrzeżenia. W tym samym czasie szkocki fizyk James Maxwell (1831-1879) stworzył teorię pola elektromagnetycznego, z której w szczególności wynikało, że końcowa prędkość propagacji tego pola w przestrzeni wynosiła 300 000 km/s. Niemiecki fizyk Heinrich Hertz (1857-1894) eksperymentalnie udowodnił tożsamość światła, promieni cieplnych i elektromagnetycznego „ruchu falowego”. Ustalił, że siła elektromagnetyczna działa przy prędkości 300 000 km/s. Co więcej, Hertz ustalił, że „siły elektryczne można oddzielić od ciężkich ciał i nadal istnieć niezależnie jako stan lub zmiana w przestrzeni”. Jednak sytuacja z eterem wzbudziła wiele pytań i aby obalić tę koncepcję, potrzebny był bezpośredni eksperyment. Pomysł został sformułowany przez Maxwella, który zaproponował wykorzystanie Ziemi jako poruszającego się ciała, poruszającego się po orbicie z prędkością 30 km/s. To doświadczenie wymagało niezwykle dużej dokładności pomiaru. Ten najtrudniejszy problem rozwiązali w 1881 roku amerykańscy fizycy A. Michelson i E. Morley. Zgodnie z hipotezą „stacjonarnego eteru” przy poruszaniu się Ziemi przez „eter” można zaobserwować „wiatr eteryczny”, a prędkość światła względem Ziemi powinna zależeć od kierunku promienia światła względem kierunku ruchu Ziemi w eterze (to znaczy, że światło jest skierowane wzdłuż ruchu Ziemi i przeciwnie). Prędkości w obecności eteru musiały być różne. Okazało się jednak, że nie uległy zmianie. To pokazało, że nie było powietrza. Ten negatywny wynik potwierdził teorię względności. Eksperyment Michelsona i Morleya mający na celu określenie prędkości światła powtórzono kilka razy później, w latach 1885-1887, z tym samym wynikiem.

W 1904 roku na kongresie naukowym francuski matematyk Henri Poincaré (1854-1912) wyraził opinię, że w przyrodzie nie może być prędkości większych od prędkości światła. Jednocześnie A. Poincaré sformułował zasadę względności jako uniwersalne prawo natury. W 1905 roku napisał: „Niemożność udowodnienia eksperymentalnie absolutnego ruchu Ziemi jest oczywiście ogólnym prawem natury”. Tutaj wskazuje na transformacje Lorentza i ogólny związek między współrzędnymi przestrzennymi i czasowymi.

Albert Einstein (1879-1955), tworząc szczególną teorię względności, nie wiedział jeszcze o wynikach Poincarégo. Einstein napisał później: „Absolutnie nie rozumiem, dlaczego wychwala się mnie jako twórcę teorii względności. Gdyby nie ja, Poincaré zrobiłby to w rok, Minkowski zrobiłby to w dwa lata, wszak ponad połowa tego biznesu należy do Lorentza. Moje zasługi są przesadzone.” Jednak Lorentz ze swojej strony napisał w 1912 r.: „Zasługa Einsteina polega na tym, że jako pierwszy wyraził zasadę względności w formie uniwersalnego, ścisłego prawa”.

Dwa postulaty Einsteina w SRT

Aby opisać zjawiska fizyczne, Galileusz wprowadził koncepcję układu inercjalnego. W takim układzie ciało, na które nie działa żadna siła, znajduje się w spoczynku lub znajduje się w stanie jednostajnego ruchu liniowego. Prawa opisujące ruch mechaniczny obowiązują jednakowo w różnych układach inercjalnych, to znaczy nie zmieniają się przy przechodzeniu z jednego układu współrzędnych do drugiego. Na przykład, jeśli pasażer idzie w jadącym wagonie kolejowym w kierunku jego ruchu z dużą prędkością w 1 = 4 km/h, a pociąg jedzie z dużą prędkością w 2 = 46 km/h, to prędkość pasażera względem toru kolejowego będzie wynosić vΣ= w 1 +w 2 = 50 km/h, czyli jest dodana prędkość. Według „zdrowego rozsądku” jest to fakt niepodważalny:

v Σ= w 1 +w 2

Jednak w świecie dużych prędkości, porównywalnych z prędkością światła, podany wzór na dodawanie prędkości jest po prostu błędny. W naturze światło przemieszcza się z dużą prędkością Z= 300 000 km/s, niezależnie od kierunku, w którym porusza się źródło światła względem obserwatora.

W 1905 roku 26-letni Albert Einstein opublikował artykuł „O elektrodynamice ciał w ruchu” w niemieckim czasopiśmie naukowym „Annals of Physics”. W artykule tym sformułował dwa słynne postulaty, które stały się podstawą częściowej, czyli szczególnej teorii względności (SRT), która zmieniła klasyczne koncepcje dotyczące przestrzeni i czasu.

W pierwszym z postulatów Einstein rozwinął klasyczną zasadę względności Galileusza. Pokazał, że zasada ta jest uniwersalna, także dla elektrodynamiki (a nie tylko dla układów mechanicznych). Stanowisko to nie było jednoznaczne, gdyż konieczne było porzucenie Newtonowskiego działania dalekiego zasięgu.

Ogólna zasada względności Einsteina stwierdza, że ​​żadne eksperymenty fizyczne (mechaniczne i elektromagnetyczne) w danym układzie odniesienia nie mogą ustalić, czy układ ten porusza się ruchem jednostajnym, czy też jest w spoczynku. Jednocześnie przestrzeń i czas są ze sobą powiązane, zależne od siebie (dla Galileusza i Newtona przestrzeń i czas są od siebie niezależne).

Einstein zaproponował drugi postulat szczególnej teorii względności po przeanalizowaniu elektrodynamiki Maxwella - jest to zasada stałości prędkości światła w próżni, która jest w przybliżeniu równa 300 000 km/s.

Prędkość światła jest największą prędkością w naszym Wszechświecie. W otaczającym nas świecie nie może być prędkości większej niż 300 000 km/s.

W nowoczesnych akceleratorach mikrocząstki przyspieszane są do ogromnych prędkości. Na przykład elektron przyspiesza do prędkości v e = 0,9999999 C, gdzie v e, C to odpowiednio prędkości elektronu i światła. W tym przypadku z punktu widzenia obserwatora masa elektronu wzrasta 2500 razy:

Tutaj m e0 jest masą spoczynkową elektronu, M mi- masa elektronu przy prędkości w mi .

Elektron nie może osiągnąć prędkości światła, istnieją jednak mikrocząstki posiadające prędkość światła, nazywane są „luksonami”.

Należą do nich fotony i neutrina. Praktycznie nie mają masy spoczynkowej, nie można ich spowolnić, zawsze poruszają się z prędkością światła Z. Wszystkie inne mikrocząstki (tardyony) poruszają się z prędkością mniejszą niż prędkość światła. Mikrocząstki, których prędkość ruchu może być większa niż prędkość światła, nazywane są tachionami. W naszym realnym świecie nie ma takich cząstek.

Niezwykle ważnym wynikiem teorii względności jest identyfikacja związku pomiędzy energią i masą ciała. Przy małych prędkościach

Gdzie mi = m 0 C 2 - energia spoczynkowa cząstki o masie spoczynkowej M 0, o mi K- energia kinetyczna poruszającej się cząstki.

Ogromnym osiągnięciem teorii względności jest fakt, że ustaliła ona równoważność masy i energii (E = m 0 C 2). Nie mówimy jednak o przemianie masy w energię i odwrotnie, ale raczej o tym, że przemiana energii z jednego rodzaju na drugi odpowiada przejściu masy z jednej formy do drugiej. Energii nie można zastąpić masą, ponieważ energia charakteryzuje zdolność ciała do wykonania pracy, a masa jest miarą bezwładności.

Przy prędkościach relatywistycznych bliskich prędkości światła:

Gdzie mi- energia, M- masa cząstki, M- masa spoczynkowa cząstki, Z- prędkość światła w próżni.

Z powyższego wzoru jasno wynika, że ​​aby cząstka mogła osiągnąć prędkość światła, należy przekazać cząstce nieskończenie dużą ilość energii. W przypadku fotonów i neutrin ten wzór nie jest sprawiedliwy, ponieważ tak jest w= C.

Efekty relatywistyczne

W teorii względności efekty relatywistyczne oznaczają zmiany właściwości czasoprzestrzennych ciał przy prędkościach porównywalnych z prędkością światła.

Jako przykład zwykle bierze się pod uwagę statek kosmiczny, taki jak rakieta fotonowa, który leci w przestrzeni kosmicznej z prędkością proporcjonalną do prędkości światła. W tym przypadku nieruchomy obserwator może zauważyć trzy efekty relatywistyczne:

1. Wzrost masy w porównaniu do masy spoczynkowej. Wraz ze wzrostem prędkości rośnie masa. Gdyby ciało mogło poruszać się z prędkością światła, wówczas jego masa wzrosłaby do nieskończoności, co jest niemożliwe. Einstein udowodnił, że masa ciała jest miarą zawartej w nim energii (E= mc 2 ). Nie da się przekazać ciału nieskończonej energii.

2. Zmniejszenie wymiarów liniowych ciała w kierunku jego ruchu. Im większa prędkość statku kosmicznego przelatującego obok nieruchomego obserwatora i im bliżej jest prędkości światła, tym mniejszy będzie rozmiar tego statku dla nieruchomego obserwatora. Kiedy statek osiągnie prędkość światła, jego obserwowana długość będzie wynosić zero, co nie może być. Na samym statku astronauci nie będą obserwować tych zmian. 3. Dylatacja czasu. W statku kosmicznym poruszającym się z prędkością bliską prędkości światła czas płynie wolniej niż w przypadku nieruchomego obserwatora.

Efekt dylatacji czasu miałby wpływ nie tylko na zegar znajdujący się wewnątrz statku, ale także na wszystkie procesy zachodzące w nim i rytmy biologiczne astronautów. Rakiety fotonowej nie można jednak uznać za układ inercjalny, ponieważ podczas przyspieszania i zwalniania porusza się z przyspieszeniem (a nie równomiernie i prostoliniowo).

Teoria względności oferuje zasadniczo nowe szacunki zależności czasoprzestrzennych między obiektami fizycznymi. W fizyce klasycznej przy przechodzeniu z jednego układu inercjalnego (nr 1) do drugiego (nr 2) czas pozostaje taki sam - t 2 = T L a współrzędne przestrzenne zmieniają się zgodnie z równaniem X 2 = X 1 -wt. Teoria względności wykorzystuje tzw. transformacje Lorentza:

Z zależności jasno wynika, że ​​współrzędne przestrzenne i czasowe zależą od siebie. Jeśli chodzi o zmniejszenie długości w kierunku ruchu, to

i upływ czasu zwalnia:

W 1971 roku w USA przeprowadzono eksperyment mający na celu określenie dylatacji czasu. Zrobili dwa absolutnie identyczne, dokładne zegarki. Część zegarków pozostała na ziemi, inne umieszczono w samolocie, który leciał wokół Ziemi. Samolot lecący po okręgu wokół Ziemi porusza się z pewnym przyspieszeniem, co oznacza, że ​​zegar na pokładzie samolotu znajduje się w innej sytuacji niż zegar stojący na ziemi. Zgodnie z prawami względności zegar podróżujący powinien był opóźniać się w stosunku do zegara spoczynkowego o 184 ns, ale w rzeczywistości opóźnienie wynosiło 203 ns. Były też inne eksperymenty sprawdzające efekt dylatacji czasu i wszystkie potwierdziły fakt spowolnienia. Zatem różny przepływ czasu w układach współrzędnych poruszających się względem siebie ruchem jednostajnym i prostoliniowym jest faktem niezmiennym, ustalonym eksperymentalnie.

Ogólna teoria względności

Po opublikowaniu szczególnej teorii względności w 1905 r. A. Einstein zwrócił się ku współczesnej koncepcji grawitacji. W 1916 roku opublikował ogólną teorię względności (GTR), która wyjaśnia teorię grawitacji z współczesnego punktu widzenia. Opiera się na dwóch postulatach szczególnej teorii względności i formułuje postulat trzeci – zasadę równoważności mas bezwładnościowych i grawitacyjnych. Najważniejszym wnioskiem Ogólnej Teorii Względności jest stanowisko dotyczące zmian charakterystyk geometrycznych (przestrzennych) i czasowych w polach grawitacyjnych (i nie tylko podczas poruszania się z dużymi prędkościami). Wniosek ten łączy GTR z geometrią, czyli w GTR obserwuje się geometrię grawitacji. Klasyczna geometria euklidesowa nie nadawała się do tego. Nowa geometria pojawiła się w XIX wieku. w pracach rosyjskiego matematyka N.I. Łobaczewskiego, niemieckiego - B. Riemanna, węgierskiego - J. Bolyai.

Geometria naszej przestrzeni okazała się nieeuklidesowa.

Ogólna teoria względności jest teorią fizyczną opartą na szeregu faktów eksperymentalnych. Przyjrzyjmy się niektórym z nich. Pole grawitacyjne wpływa na ruch nie tylko masywnych ciał, ale także światła. Promień światła jest odchylany w pole słoneczne. Pomiary przeprowadzone w 1922 roku przez angielskiego astronoma A. Eddingtona podczas zaćmienia słońca potwierdziły tę przepowiednię Einsteina.

W ogólnej teorii względności orbity planet nie są zamknięte. Niewielki efekt tego rodzaju można opisać jako obrót peryhelium orbity eliptycznej. Peryhelium to punkt orbity ciała niebieskiego znajdującego się najbliżej Słońca, które porusza się wokół Słońca po elipsie, paraboli lub hiperboli. Astronomowie wiedzą, że peryhelium orbity Merkurego obraca się o około 6000 na stulecie.” Wyjaśnia to zakłócenia grawitacyjne z innych planet. Jednocześnie pozostała nieusuwalna pozostałość wynosząca około 40 cali na stulecie. W 1915 roku Einstein wyjaśnił tę rozbieżność w ramach ogólnej teorii względności.

Istnieją obiekty, w których decydującą rolę odgrywają efekty ogólnej teorii względności. Należą do nich „czarne dziury”. „Czarna dziura” powstaje, gdy gwiazda jest ściśnięta tak bardzo, że istniejące pole grawitacyjne nie uwalnia nawet światła w przestrzeń kosmiczną. Dlatego od takiej gwiazdy nie pochodzą żadne informacje. Liczne obserwacje astronomiczne wskazują na realne istnienie takich obiektów. Ogólna teoria względności dostarcza jasnego wyjaśnienia tego faktu.

W 1918 roku Einstein przewidział w oparciu o ogólną teorię względności istnienie fal grawitacyjnych: masywne ciała poruszające się z przyspieszeniem emitują fale grawitacyjne. Fale grawitacyjne muszą poruszać się z tą samą prędkością co fale elektromagnetyczne, czyli z prędkością światła. Przez analogię do kwantów pola elektromagnetycznego zwyczajowo nazywa się grawitony kwantami pola grawitacyjnego. Obecnie kształtuje się nowa dziedzina nauki - astronomia fal grawitacyjnych. Istnieje nadzieja, że ​​eksperymenty grawitacyjne przyniosą nowe wyniki.

Na podstawie równań teorii względności domowy matematyk i fizyk A. Friedman w 1922 roku znalazł nowe kosmologiczne rozwiązanie równań ogólnej teorii względności, które wskazuje, że nasz Wszechświat nie jest stacjonarny, lecz stale się rozszerza. Friedman znalazł dwie możliwości rozwiązania równań Einsteina, czyli dwie możliwości możliwego rozwoju Wszechświata. W zależności od gęstości materii Wszechświat albo będzie się dalej rozszerzał, albo po pewnym czasie zacznie się kurczyć.

W 1929 roku amerykański astronom E. Hubble ustalił eksperymentalnie prawo określające prędkość ekspansji galaktyk w zależności od odległości od naszej galaktyki. Im dalej znajduje się galaktyka, tym większa jest prędkość jej ekspansji. Hubble wykorzystał efekt Dopplera, zgodnie z którym źródło światła oddalające się od obserwatora zwiększa swoją długość fali, czyli przesuwa się w stronę czerwonego końca widma (czerwieni).

Tym samym wszystkie znane fakty naukowe potwierdzają słuszność ogólnej teorii względności, czyli współczesnej teorii grawitacji.

3.6. Początki termodynamiki. Idee dotyczące entropii

Ogólne informacje o termodynamice

>Termodynamika jest nauką o najogólniejszych właściwościach ciał i układów makroskopowych znajdujących się w stanie równowagi termodynamicznej oraz o procesach przejścia z jednego stanu do drugiego.

Termodynamika klasyczna bada obiekty fizyczne świata materialnego jedynie w stanie równowagi termodynamicznej. Mamy tutaj na myśli stan, w jaki system dochodzi z biegiem czasu, znajdując się w pewnych stałych warunkach zewnętrznych i określonej stałej temperaturze otoczenia. Dla takich stanów równowagi pojęcie czasu jest nieistotne. Dlatego czas nie jest wyraźnie używany jako parametr w termodynamice. W pierwotnej formie dyscyplina ta nazywała się „mechaniczną teorią ciepła”. Termin „termodynamika” został wprowadzony do literatury naukowej w 1854 roku przez W. Thomsona. Procesy równowagowe termodynamiki klasycznej umożliwiają także ocenę wzorców procesów zachodzących podczas ustalania się równowagi, czyli rozważają sposoby ustalania równowagi termodynamicznej.

Jednocześnie termodynamika uwzględnia warunki istnienia procesów nieodwracalnych. Na przykład rozprzestrzenianie się cząsteczek gazu (prawo dyfuzji) ostatecznie prowadzi do stanu równowagi, a termodynamika zabrania odwrotnego przejścia takiego układu do stanu pierwotnego.

Zadanie termodynamiki procesów nieodwracalnych polegało w pierwszej kolejności na badaniu procesów nierównowagowych dla stanów, które nie różnią się zbytnio od stanu równowagi. Pojawienie się termodynamiki procesów nieodwracalnych datuje się na lata 50-te. ostatni wiek. Powstał na bazie termodynamiki klasycznej, która powstała w drugiej połowie XIX wieku. W rozwoju termodynamiki klasycznej wybitną rolę odegrały prace N. Carnota, B. Clapeyrona, R. Clausiusa i innych. Minęło stosunkowo dużo czasu, zanim stało się jasne, że termodynamika klasyczna jest w istocie termostatyką, a podstawowe równania Fouriera-Ohma-Ficka i Naviera — Stokesa reprezentują elementy przyszłej termodynamiki. W tym miejscu należy wymienić jednego z pionierów nowego kierunku termodynamiki – amerykańskiego fizyka L. Onsagera (Nagroda Nobla 1968), a także holendersko-belgijską szkołę I. Prigogine’a, S. de Groota, P. Mazura. W 1977 roku belgijski fizyk i chemik fizyczny pochodzenia rosyjskiego Ilja Romanowicz Prigogine otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii „za wkład w teorię termodynamiki nierównowagowej, w szczególności w teorię struktur rozpraszających i jej zastosowania w chemii i biologii.”

Termodynamika jako funkcja stanu

Równość temperatur we wszystkich punktach niektórych układów lub części jednego układu jest warunkiem równowagi.

Stan jednorodnych cieczy lub gazów jest całkowicie ustalony poprzez określenie dowolnych dwóch z trzech wielkości: temperatury G, objętości V, ciśnienia p. Połączenie pomiędzy p, V I T zwane równaniem stanu. Francuski fizyk B. Clapeyron w 1934 roku wyprowadził równanie stanu gazu doskonałego, łącząc prawa Boyle'a-Mariotte'a i Gay'a-Lusaca. DI Mendelejew połączył równania Clapeyrona z prawem Avogadro. Zgodnie z prawem Avogadro przy równych ciśnieniach R i temperatura G mole wszystkich gazów zajmują tę samą objętość molową V M dlatego dla wszystkich gazów istnieje molowa stała gazowa R. Następnie równanie Clapeyrona – Mendelejewa można zapisać jako:

pV m= CZ.

Wartość liczbowa stałej molowej gazu R= 8,31 J/mol K.

Pierwsza zasada termodynamiki

Pierwszą zasadę, czyli pierwszą zasadę termodynamiki, czyli zasadę zachowania energii dla układów cieplnych, można wygodnie rozważyć na przykładzie działania silnika cieplnego. Silnik cieplny zawiera źródło ciepła Q 1 , płyn roboczy, na przykład cylinder z tłokiem, pod którym można podgrzać gaz (ΔQ 1) lub schłodzić za pomocą lodówki, która odbiera ciepło ΔQ 2 z płynu roboczego. W takim przypadku można wykonać pracę Δ A i energia wewnętrzna Δ się zmienia U.

Energię ruchu termicznego można przekształcić w energię ruchu mechanicznego i odwrotnie. Podczas tych przemian przestrzegane jest prawo zachowania i transformacji energii. W odniesieniu do procesów termodynamicznych jest to pierwsza zasada termodynamiki, powstała w wyniku uogólnienia wielowiekowych danych eksperymentalnych. Doświadczenie pokazuje, że o zmianie energii wewnętrznej ΔU decyduje różnica ilości ciepła Q 1 , otrzymane przez system i pracę A:

ΔU= Q 1 - A

Q 1 = A 1 + ΔU.

W formie różniczkowej:

dQ= dA+ du.

Pierwsza zasada termodynamiki określa funkcję drugiego stanu - energię, a dokładniej energię wewnętrzną Ty, która reprezentuje energię chaotycznego ruchu wszystkich cząsteczek, atomów, jonów itp., A także energię oddziaływania tych mikrocząstek. Jeżeli system nie wymienia energii lub materii z otoczeniem (system izolowany), to du= 0, a U= const zgodnie z zasadą zachowania energii. To wynika z tej pracy A równa ilości ciepła Q, czyli silnik pracujący okresowo (silnik cieplny) nie może wykonać większej pracy niż energia dostarczona mu z zewnątrz, co oznacza, że ​​nie jest możliwe stworzenie silnika, który poprzez jakąś przemianę energii mógłby zwiększyć jej całkowitą ilość.

Procesy okrężne (cykle). Procesy odwracalne i nieodwracalne

>W procesie okrężnym(cykl) to proces, podczas którego system przechodzi przez szereg stanów i powraca do stanu pierwotnego. Cykl taki można przedstawić jako zamkniętą krzywą na osiach P, V, Gdzie P- ciśnienie w układzie oraz V- jego objętość. Zamknięta krzywa składa się z odcinków, w których wolumen rośnie (ekspansja) i odcinków, w których wolumen maleje (skurcz).

W tym przypadku praca wykonana w cyklu jest określona przez obszar objęty zamkniętą krzywą. Cykl, który przebiega poprzez rozprężanie, a następnie sprężanie, nazywany jest bezpośrednim, stosowany jest w silnikach cieplnych - silnikach pracujących okresowo, które wykonują pracę wykorzystując ciepło otrzymane z zewnątrz. Cykl, który przebiega poprzez sprężanie, a następnie rozprężanie, nazywany jest odwrotnym i stosowany jest w maszynach chłodniczych – okresowo pracujących instalacjach, w których na skutek działania sił zewnętrznych ciepło przekazywane jest z jednego ciała na drugie. W wyniku procesu okrężnego system powraca do stanu pierwotnego:

ΔU=0, Q=A

System może zarówno odbierać ciepło, jak i je oddawać. Jeśli system otrzyma Q 1 ciepło, ale ustępuje Q 2 , a następnie wydajność cieplna dla procesu okrężnego

Procesy odwracalne mogą zachodzić zarówno w kierunku do przodu, jak i do tyłu

W idealnym przypadku, jeśli proces zachodzi najpierw w kierunku do przodu, a następnie w kierunku odwrotnym, a układ powraca do stanu pierwotnego, to w otoczeniu nie zachodzą żadne zmiany. Procesy odwracalne są idealizacją procesów rzeczywistych, w których następuje pewna strata energii zawsze występuje (dla tarcia, przewodności cieplnej itp.)

Pojęcie odwracalnego procesu kołowego wprowadził do fizyki w 1834 roku francuski naukowiec B. Clapeyron

Idealny cykl silnika cieplnego Carnota

Kiedy mówimy o odwracalności procesów, należy mieć na uwadze, że jest to pewnego rodzaju idealizacja. Wszystkie rzeczywiste procesy są nieodwracalne, zatem cykle, w których pracują silniki cieplne, są również nieodwracalne, a zatem nierównowagowe. Aby jednak uprościć ilościową ocenę takich cykli, należy uznać je za równowagowe, to znaczy tak, jakby składały się wyłącznie z procesów równowagowych. Wymaga tego dobrze rozwinięta aparatura termodynamiki klasycznej.

Słynny idealny cykl silnika Carnota jest uważany za równowagowy proces odwrotny okrężny. W rzeczywistych warunkach żaden cykl nie może być idealny, ponieważ występują straty. Zachodzi ono pomiędzy dwoma źródłami ciepła o stałej temperaturze na radiatorze T 1 i radiator T 2, a także płyn roboczy, za który przyjmuje się gaz doskonały (ryc. 3.1).

Ryż. 3.1. Cykl silnika cieplnego

Wierzymy, że T 1 > T 2 oraz odprowadzanie ciepła z radiatora i dostarczanie ciepła do radiatora nie wpływają na ich temperaturę, T 1 I T 2 pozostaje stały. Oznaczmy parametry gazu w lewym skrajnym położeniu tłoka silnika cieplnego: ciśnienie - R 1 tom - V 1 , temperatura T 1. To jest punkt 1 na wykresie na osiach P-V. W tym momencie gaz (płyn roboczy) oddziałuje z radiatorem, którego temperatura również T 1. Gdy tłok porusza się w prawo, ciśnienie gazu w cylindrze maleje, a objętość wzrasta. Trwa to do momentu, aż tłok osiągnie położenie określone w punkcie 2, gdzie parametry cieczy roboczej (gazu) przyjmą wartości P 2 , V 2 , T 2 . Temperatura w tym punkcie pozostaje niezmieniona, ponieważ temperatura gazu i radiatora są takie same podczas przejścia tłoka z punktu 1 do punktu 2 (rozszerzanie). Proces, w którym T nie zmienia się, nazywa się izotermą, a krzywa 1-2 nazywa się izotermą. W procesie tym ciepło przechodzi z nośnika ciepła do płynu roboczego Q 1 .

W punkcie 2 cylinder jest całkowicie odizolowany od środowiska zewnętrznego (nie ma wymiany ciepła), a wraz z dalszym ruchem tłoka w prawo następuje spadek ciśnienia i wzrost objętości wzdłuż krzywej 2-3, tzw. adiabatyczny(proces bez wymiany ciepła z otoczeniem zewnętrznym). Gdy tłok przesunie się do skrajnie prawego położenia (punkt 3), proces rozprężania zakończy się, a parametry będą miały wartości P 3, V 3, a temperatura zrówna się z temperaturą radiatora T 2. Przy takim położeniu tłoka izolacja płynu roboczego ulega zmniejszeniu i oddziałuje on z radiatorem. Jeśli teraz zwiększymy nacisk na tłok, będzie on poruszał się w lewo przy stałej temperaturze T2(kompresja). Oznacza to, że proces sprężania będzie izotermiczny. W tym procesie ciepło Q 2 przejdzie z płynu roboczego do radiatora. Tłok poruszając się w lewo dojdzie do punktu 4 z parametrami P 4 , V 4 i T2, gdzie płyn roboczy jest ponownie izolowany od środowiska zewnętrznego. Dalsza kompresja następuje adiabatycznie 4-1 wraz ze wzrostem temperatury. W punkcie 1 sprężanie kończy się na parametrach płynu roboczego P 1 , V 1 , T 1 . Tłok powrócił do stanu pierwotnego. W punkcie 1 usuwa się izolację płynu roboczego od środowiska zewnętrznego i cykl się powtarza.

Sprawność idealnego silnika Carnota:

Analiza wyrażenia na efektywność cyklu Carnota pozwala wyciągnąć następujące wnioski:

1) Im wyższa wydajność, tym wyższa T 1 i mniej T 2 ;

2) wydajność jest zawsze mniejsza od jedności;

3) Wydajność wynosi zero T 1 = T2.

Cykl Carnota najlepiej wykorzystuje ciepło, ale jak stwierdzono powyżej, jest on wyidealizowany i nie jest wykonalny w rzeczywistych warunkach. Jednak jego znaczenie jest ogromne. Pozwala określić najwyższą wartość sprawności silnika cieplnego.

Druga zasada termodynamiki. Entropia

Druga zasada termodynamiki związana jest z nazwiskami N. Carnota, W. Thomsona (Kelvina), R. Clausiusa, L. Boltzmanna, W. Nernsta.

Druga zasada termodynamiki wprowadza nową funkcję stanu – entropię. Termin „entropia” zaproponowany przez R. Clausiusa wywodzi się z języka greckiego. entropia i oznacza „transformację”.

Właściwe byłoby przedstawienie pojęcia „entropii” w sformułowaniu A. Sommerfelda: „Każdy układ termodynamiczny posiada funkcję stanu zwaną entropią. Entropię oblicza się w następujący sposób. System przechodzi z dowolnie wybranego stanu początkowego do odpowiedniego stanu końcowego poprzez sekwencję stanów równowagi; oblicza się wszystkie części ciepła dQ odprowadzane do układu i każdą z nich dzieli się przez odpowiadającą jej temperaturę bezwzględną T, i wszystkie uzyskane w ten sposób wartości sumuje się (pierwsza część drugiej zasady termodynamiki). Podczas rzeczywistych (nieidealnych) procesów entropia izolowanego układu wzrasta (druga część drugiej zasady termodynamiki).”

Rozliczanie i magazynowanie ilości energii nie jest jeszcze wystarczające, aby ocenić możliwość konkretnego procesu. Energię należy charakteryzować nie tylko ilością, ale także jakością. Ważne jest, aby energia o określonej jakości mogła samoistnie przekształcić się jedynie w energię o niższej jakości. Wielkość określająca jakość energii to entropia.

Procesy w materii ożywionej i nieożywionej na ogół przebiegają w taki sposób, że entropia w zamkniętych, izolowanych układach wzrasta, a jakość energii spada. Takie jest znaczenie drugiej zasady termodynamiki.

Jeśli oznaczymy entropię przez S, to

co odpowiada pierwszej części drugiego prawa według Sommerfelda.

Możesz zastąpić wyrażenie entropii w równaniu pierwszej zasady termodynamiki:

du= T×dS - du.

Wzór ten znany jest w literaturze jako współczynnik Gibbsa. To podstawowe równanie łączy pierwszą i drugą zasadę termodynamiki i zasadniczo definiuje całą termodynamikę równowagową.

Druga zasada wyznacza określony kierunek przepływu procesów w przyrodzie, czyli „strzałkę czasu”.

Najgłębsze znaczenie entropii ujawnia się w statycznej ocenie entropii. Zgodnie z zasadą Boltzmanna entropia jest powiązana z prawdopodobieństwem stanu układu znaną zależnością

S= K×LnW,

Gdzie W- prawdopodobieństwo termodynamiczne, oraz DO- Stała Boltzmanna.

Prawdopodobieństwo termodynamiczne, czyli ciężar statyczny, rozumiane jest jako liczba różnych rozkładów cząstek wzdłuż współrzędnych i prędkości odpowiadających danemu stanowi termodynamicznemu. Dla dowolnego procesu zachodzącego w układzie izolowanym i przemieszczającego go ze stanu 1 do stanu 2, zmiana Δ W prawdopodobieństwo termodynamiczne jest dodatnie lub równe zero:

ΔW = W 2 - W 1 ≥ 0

W przypadku procesu odwracalnego ΔW = 0, czyli prawdopodobieństwo termodynamiczne, jest stałe. Jeżeli zachodzi proces nieodwracalny, to Δ W> 0 i W wzrasta. Oznacza to, że proces nieodwracalny przenosi system ze stanu mniej prawdopodobnego do stanu bardziej prawdopodobnego. Druga zasada termodynamiki jest prawem statystycznym, opisuje wzorce chaotycznego ruchu dużej liczby cząstek tworzących układ zamknięty, to znaczy entropia charakteryzuje miarę nieporządku, losowość cząstek w układzie.

R. Clausius zdefiniował drugą zasadę termodynamiki w następujący sposób:

> niemożliwy jest proces okrężny, którego jedynym skutkiem jest przeniesienie ciepła z ciała mniej nagrzanego do ciała bardziej nagrzanego (1850).

W związku z tym sformułowaniem w połowie XIX w. zidentyfikowano problem tzw. śmierci termicznej Wszechświata. Rozpatrując Wszechświat jako układ zamknięty, R. Clausius, opierając się na drugiej zasadzie termodynamiki, argumentował, że prędzej czy później entropia Wszechświata musi osiągnąć swoje maksimum. Przejście ciepła z ciał bardziej nagrzanych do mniej nagrzanych doprowadzi do tego, że temperatura wszystkich ciał we Wszechświecie będzie taka sama, nastąpi pełna równowaga termiczna i zatrzymają się wszystkie procesy we Wszechświecie - śmierć termiczna ciała Wszechświat nastąpi.

Błędny wniosek o śmierci termicznej Wszechświata polega na tym, że nie da się zastosować drugiej zasady termodynamiki do układu, który nie jest układem zamkniętym, ale układem rozwijającym się w nieskończoność. Wszechświat się rozszerza, galaktyki rozpraszają się z coraz większą prędkością. Wszechświat nie jest stacjonarny.

Sformułowanie drugiej zasady termodynamiki opiera się na postulatach będących efektem wielowiekowych doświadczeń człowieka. Oprócz wspomnianego powyżej postulatu Clausiusa, najbardziej znany jest postulat Thomsona (Kelvina), który mówi o niemożności zbudowania wiecznego silnika cieplnego drugiego rodzaju (perpetuum mobile), czyli silnika całkowicie zamienia ciepło w pracę. Zgodnie z tym postulatem, z całego ciepła otrzymanego ze źródła ciepła o wysokiej temperaturze – radiatora, tylko część może zostać zamieniona na pracę. Resztę należy skierować do radiatora o stosunkowo niskiej temperaturze, to znaczy do pracy silnika cieplnego potrzebne są co najmniej dwa źródła ciepła o różnych temperaturach.

To wyjaśnia powód, dla którego nie jest możliwe przekształcenie ciepła otaczającej nas atmosfery lub ciepła mórz i oceanów w pracę w przypadku braku tych samych wielkoskalowych źródeł ciepła o niższej temperaturze.

Trzecia zasada termodynamiki, czyli teoria termiczna Nernsta

Wśród funkcji stanu innych niż temperatura T, energia wewnętrzna U i entropia S, są też takie, które zawierają iloczyn T·S. Na przykład podczas badania reakcji chemicznych ważną rolę odgrywają funkcje stanu, takie jak energia swobodna F= U - T S lub potencjał Gibbsa Ф = U+ pV-TS. Te funkcje stanu obejmują iloczyn T·S. Jednak wielkość S jest określana tylko do dowolnej stałej S 0, ponieważ entropię określa się poprzez jej różnicę dS. W konsekwencji bez określenia S 0 zastosowanie funkcji stanu staje się niepewne. Powstaje pytanie o wartość bezwzględną entropii.

Teoria termiczna Nernsta odpowiada na to pytanie. W sformułowaniu Plancka sprowadza się to do stwierdzenia: entropia wszystkich ciał w stanie równowagi dąży do zera, gdy temperatura zbliża się do zera Kelvina:

Ponieważ entropię określa się do stałej addytywnej S 0 , wówczas wygodnie jest przyjąć tę stałą jako równą zero.

Twierdzenie termiczne sformułował Nerst na początku XX wieku. (Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki w 1920 r.). Nie wynika to z dwóch pierwszych zasad, zatem ze względu na swoją ogólność słusznie można ją uznać za nowe prawo natury - trzecią zasadę termodynamiki.

Termodynamika nierównowagowa

Układy nierównowagowe charakteryzują się nie tylko parametrami termodynamicznymi, ale także szybkością ich zmian w czasie i przestrzeni, która determinuje przepływy (procesy przenoszenia) i siły termodynamiczne (gradient temperatury, gradient stężeń itp.).

Pojawienie się przepływów w systemie zakłóca równowagę statystyczną. W każdym układzie fizycznym zawsze zachodzą procesy, które próbują przywrócić układ do stanu równowagi. Dochodzi do konfrontacji procesów przeniesienia, które zakłócają równowagę, z procesami wewnętrznymi, które starają się ją przywrócić.

Procesy w układach nierównowagowych mają następujące trzy właściwości:

1. Procesy doprowadzające układ do równowagi termodynamicznej (odzysku) zachodzą, gdy w samym układzie nie występują żadne specjalne czynniki utrzymujące stan nierównowagowy. Jeżeli stan początkowy jest silnie nierównowagowy i na tle ogólnej tendencji układu do równowagi, rodzą się podsystemy cieszące się dużym zainteresowaniem, w których entropia lokalnie maleje, wówczas podsystemy lokalne powstają tam, gdzie wzrasta uporządkowanie. Co więcej, łączny wzrost dla całego systemu jest wielokrotnie większy. W układzie izolowanym lokalny spadek entropii jest oczywiście tymczasowy. W układzie otwartym, przez który przez długi czas przepływają potężne przepływy, zmniejszając entropię, mogą powstać pewne uporządkowane podsystemy. Mogą istnieć, zmieniać się i rozwijać przez bardzo długi czas (aż do ustania przepływów je zasilających).

2. Narodziny stanów lokalnych o niskiej entropii prowadzą do przyspieszenia ogólnego wzrostu entropii całego układu. Dzięki uporządkowanym podukładom cały układ jako całość szybciej porusza się w kierunku coraz bardziej nieuporządkowanych stanów, w kierunku równowagi termodynamicznej.

Obecność uporządkowanego podsystemu może miliony lub więcej razy przyspieszyć wyjście całego systemu z „bezpiecznego” stanu metastabilnego. W przyrodzie nic nie jest dane „za darmo”.

3. Stany uporządkowane są strukturami rozpraszającymi, które do ich powstania wymagają dużego dopływu energii. Układy takie reagują na niewielkie zmiany warunków zewnętrznych z większą czułością i bardziej różnorodnie niż stan równowagi termodynamicznej. Z łatwością mogą się zawalić lub przekształcić w nowe uporządkowane struktury.

Pojawienie się struktur dyssypatywnych ma charakter progowy. Termodynamika nierównowagowa powiązała charakter progowy z niestabilnością. Nowa struktura jest zawsze wynikiem niestabilności i powstaje w wyniku fluktuacji.

Wybitną zasługą termodynamiki nierównowagowej jest ustalenie faktu, że samoorganizacja jest nieodłączną cechą nie tylko „żywych systemów”. Zdolność do samoorganizacji jest wspólną cechą wszystkich systemów otwartych, które mogą wymieniać energię z otoczeniem. Źródłem porządku jest w tym wypadku nierównowaga.

Wniosek ten stanowi tezę główną dla zakresu idei grupy I. Prigogine’a.

Zgodność drugiej zasady termodynamiki ze zdolnością układów do samoorganizacji jest jednym z największych osiągnięć współczesnej termodynamiki nierównowagowej.

Entropia i materia. Zmiana entropii w reakcjach chemicznych

Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta prędkość różnych rodzajów ruchu cząstek. Stąd liczba mikrostanów cząstek, a co za tym idzie, prawdopodobieństwo termodynamiczne W, i entropia materii wzrasta. Kiedy substancja przechodzi ze stanu stałego do ciekłego, wzrasta nieuporządkowanie cząstek i odpowiednio entropia (stopienie ΔS). Nieład i odpowiednio entropia rosną szczególnie gwałtownie podczas przejścia substancji ze stanu ciekłego do stanu gazowego (JAK wrzenie). Entropia wzrasta, gdy substancja krystaliczna przekształca się w substancję amorficzną. Im wyższa twardość substancji, tym niższa jej entropia. Wzrost liczby atomów w cząsteczce i złożoność cząsteczek prowadzi do wzrostu entropii. Entropię mierzy się w Cal/mol·K (jednostka entropii) oraz w J/mol·K.W obliczeniach wykorzystuje się wartości entropii w tak zwanym stanie standardowym, czyli w temperaturze 298,15 K (25°C). Następnie oznacza się entropię S 0 298 . Na przykład entropia tlenu 0 3 - S 0 298 = 238,8 jednostek. e. i 0 2 - S 0 298 = 205 jednostek. mi.

Bezwzględne wartości entropii wielu substancji są zestawione i podane w podręcznikach. Na przykład:

N20(f) = 70,8; H20(g) = 188,7; CO(g) = 197,54;

CH4(r) = 186,19; H2(g) = 130,58; NS1(g) = 186,69; HCl(p) = 56,5;

CH30H(l) = 126,8; Ca(k) = 41,4; Ca(OH)2(k) = 83,4; C(diament) = 2,38;

C(grafit) = 5,74 itd.

Notatka: g - ciecz, g - gaz, j - kryształy; p - rozwiązanie.

Zmiana entropii układu w wyniku reakcji chemicznej (Δ S) równa sumie entropii produktów reakcji minus entropie substancji wyjściowych. Na przykład:

CH 4 +H 2 0(g) = C0 + 3H 2 - tutaj Δ S 0 298 = S 0 co.298 + 3 S 0 H2.298 - S 0 H4.298 - S 0 H2,298 =

197,54 = 3 130,58 - 188,19 - 188,7 = 214,39 J/mol K.

W wyniku reakcji entropia wzrosła (A S> 0), wzrosła liczba moli substancji gazowych.

Entropia informacyjna. Entropia w biologii

Entropia informacji służy jako miara niepewności komunikatu. Wiadomości są opisywane wieloma wielkościami X 1 , X 2 X N, którymi mogą być na przykład słowa: P 1 , P 2 …, P N. Entropia informacyjna jest oznaczona przez S N Lub H ty. Dla pewnego dyskretnego statystycznego rozkładu prawdopodobieństwa P I użyj następującego wyrażenia:

jeśli się uwzględni:

Oznaczający S N= 0, jeśli istnieje jakiekolwiek prawdopodobieństwo P I= 1, a pozostałe prawdopodobieństwa pojawienia się innych wielkości są równe zeru. W tym przypadku informacja jest wiarygodna, to znaczy nie ma w niej niepewności. Entropia informacyjna nabiera największej wartości, gdy P I są sobie równe, a niepewność informacji jest maksymalna.

Całkowita entropia kilku wiadomości jest równa sumie entropii poszczególnych wiadomości (właściwość addytywności).

Amerykański matematyk Claude Shannon, jeden z twórców matematycznej teorii informacji, wykorzystał koncepcję entropii do określenia krytycznej prędkości transmisji informacji i stworzenia „kodów odpornych na zakłócenia”. Podejście to (wykorzystujące probabilistyczną funkcję entropii z termodynamiki statystycznej) okazało się owocne w innych obszarach nauk przyrodniczych.

Pojęcie entropii, pokazane po raz pierwszy przez E. Schrödingera (1944), a następnie przez L. Brillouina i innych, jest niezbędne do zrozumienia wielu zjawisk życia, a nawet działalności człowieka.

Teraz jest jasne, że za pomocą probabilistycznej funkcji entropii można analizować wszystkie etapy przejścia układu ze stanu całkowitego chaosu, któremu odpowiadają równe prawdopodobieństwa i maksymalna wartość entropii, do stanu maksymalny możliwy porządek, który odpowiada jedynemu możliwemu stanowi elementów systemu.

Organizm żywy, z punktu widzenia zachodzących w nim procesów fizykochemicznych, można uznać za złożony układ otwarty, znajdujący się w stanie nierównowagowym, niestacjonarnym. Organizmy żywe charakteryzują się równowagą procesów metabolicznych prowadzącą do spadku entropii. Oczywiście entropii nie można zastosować do scharakteryzowania życia jako całości, ponieważ życia nie można sprowadzić do prostego zestawu procesów fizycznych i chemicznych. Charakteryzuje się innymi złożonymi procesami samoregulacji.

Pytania autotestowe

1. Sformułuj zasady dynamiki Newtona.

2. Wymień podstawowe prawa zachowania.

3. Wymień ogólne warunki obowiązywania praw konserwatorskich.

4. Wyjaśnij istotę zasady symetrii i związek tej zasady z prawami zachowania.

5. Formułować zasadę komplementarności i zasadę nieoznaczoności Heisenberga.

6. Na czym polega „upadek” determinizmu Laplace’a?

7. Jak formułuje się postulaty Einsteina w STW?

8. Nazwij i wyjaśnij efekty relatywistyczne.

9. Jaka jest istota GTR?

10. Dlaczego perpetuum mobile pierwszego rodzaju jest niemożliwe?

11. Wyjaśnić pojęcie procesu kołowego w termodynamice i idealny cykl Carnota.

12. Wyjaśnić pojęcie entropii w funkcji stanu układu.

13. Sformułuj drugą zasadę termodynamiki.

14. Wyjaśnij istotę pojęcia „termodynamika nierównowagowa”.

15. Jak jakościowo określa się zmianę entropii podczas reakcji chemicznych?

Aktualna bezwzględna wartość czasu (pora dnia, godzina ściany, pora dnia) jest zdefiniowana w jądrze/timerze. z następującymi.

struktura specyfikacja czasu xtime;

Struktura danych określająca czas jest zdefiniowana w pliku w poniższej formie.

specyfikacja czasowa struktury(

czas_t tv_sec; /* sekundy */

długi tv_nsec; /* nanosekundy */

1970 (UTC, uniwersalny czas koordynowany). Wywoływana jest określona data epoka(początek ery). W większości systemów operacyjnych typu Unix czas liczy się od początku epoki. Pole xtime.tv_nse c przechowuje liczbę nanosekund, które upłynęły w ostatniej sekundzie.

Odczyt lub zapis zmiennej xtime wymaga nabycia blokady xtime_lock. To jest zamek - nie zwykły spinlock, ale sekwencyjny blokowanie, które jest omówione w Rozdziale 9, „Funkcje synchronizacji jądra”.

Aby zaktualizować wartość zmiennej xtime, należy uzyskać blokadę zapisu sekwencyjnego w następujący sposób.

write_seqlock(&xtime_lock);

/* zaktualizuj wartość zmiennej xtime ... */

write_sequnlock(&xtime_lock);

Odczyt wartości zmiennej xtime wymaga użycia funkcji read _

seqbegin() i read_seqretr y() w następujący sposób.

niepodpisany, dawno zaginiony;

seq = read_seqbegin(&xtime_lock);

usec = timer->get_offset(); utracone = jiffies wall_jiffies; jeśli (zagubiony)

usec += utracone * (1000000 / HZ);

s = xtime.tv_sec;

usec += (xtime.tv_nsec / 1000);

) while (read_seqretry(&xtime_lock, seq));

Cykl ten jest powtarzany do momentu upewnienia się, że podczas odczytu danych nie zostały zapisane żadne dane. Jeśli w trakcie działania pętli nastąpi przerwanie od timera i zmienna xtime zostanie zaktualizowana w trakcie działania pętli, zwrócony numer sekwencyjny będzie nieprawidłowy i pętla zostanie powtórzona ponownie.

Głównym interfejsem użytkownika służącym do pobierania wartości czasu bezwzględnego jest wywołanie systemowe gettimeofda y(), które jest zaimplementowane jako funkcja sys_gettimeofday() w następujący sposób.

asmlinkage long sys_gettimeofday(struct timeval *tv, struct timezone *tz)

if (likely(tv !=NULL)) ( struct timeval_ktv; do_gettimeofday(&ktv);

if (copy_to_userftv, &ktv, sizeof(ktv))

if (mało prawdopodobne (tz !=NULL)) (

if (copy_to_user(tz, &sys_tz, sizeof(sys_tz)))

Jeśli z przestrzeni użytkownika zostanie przekazana niezerowa wartość parametru tv, wywoływana jest zależna od sprzętu funkcja do_gettimeofday(). Ta funkcja zasadniczo wykonuje pętlę odczytu zmiennej xtime, która została właśnie omówiona. Podobnie, jeśli parametr tz jest różny od zera, użytkownikowi zwracana jest strefa czasowa, w której znajduje się system operacyjny. To ustawienie jest przechowywane w zmiennej sys_tz. Jeśli podczas kopiowania wartości czasu bezwzględnego lub strefy czasowej do przestrzeni użytkownika wystąpią błędy, funkcja zwraca -EFAULT. Jeśli się powiedzie, zwracana jest wartość null.

Jądro udostępnia wywołanie systemowe time() 6 , ale wywołanie systemowe gettimeofday() całkowicie zastępuje jego funkcjonalność. Biblioteka funkcji C udostępnia także inne funkcje związane z czasem bezwzględnym, takie jak ftime() i ctirae().

Wywołanie systemowe settimeofday() umożliwia ustawienie czasu bezwzględnego na określoną wartość. Aby go wykonać, proces musi być w stanie wykorzystać CAP_SYS_TIME.

Oprócz aktualizacji zmiennej xtime, jądro nie wykorzystuje czasu bezwzględnego w takim stopniu, jak przestrzeń użytkownika. Jednym ważnym wyjątkiem jest kod systemu plików, który przechowuje czasy dostępu do plików w indeksach plików.

Timery

Timery(timery) lub, jak się je czasami nazywa, dynamiczne timery, Lub timery jądra, niezbędne do kontrolowania upływu czasu w jądrze. Kod jądra często musi odłożyć pewne funkcje na później. Celowo wybrano tu niejasną koncepcję. "Później". Celem mechanizmu dolnych połówek nie jest zatrzymać wykonanie i nie wykonuj tej pracy teraz. W związku z tym potrzebne jest narzędzie, które pozwala opóźnić wykonanie pracy o określony czas. Jeśli ten odstęp czasu nie jest bardzo mały, ale też niezbyt duży, rozwiązaniem problemu są liczniki czasu jądra.

6 Funkcja dla niektórych platform sprzętowych sys_time() nie jest zaimplementowany, ale zamiast tego jest emulowany przez bibliotekę funkcji C w oparciu o wywołanie gettimeofday().

Timery są bardzo łatwe w użyciu. Musisz wykonać pewne wstępne prace, określić godzinę zakończenia oczekiwania, określić funkcję, która ma zostać wykonana po upływie limitu czasu i aktywować licznik czasu. Określona funkcja zostanie wykonana po upłynięciu interwału czasowego. Timery nie są cykliczny. Po upływie limitu czasu licznik czasu zostaje wyeliminowany. Jest to jeden z powodów wywoływania timerów dynamiczny 7. Timery są stale tworzone i niszczone, a liczba timerów jest nieograniczona. Stosowanie timerów jest bardzo popularne we wszystkich częściach jądra.

Korzystanie z timerów

Timery są reprezentowane za pomocą struktur list czasu r, które są zdefiniowane w pliku w następujący sposób.

struktura lista_poziomów(

struct wpis list_head; /* liczniki czasu są przechowywane na połączonej liście */

niepodpisany długi wygasa; /* czas upłynięcia limitu czasu w impulsach zegara systemowego (jiffy) */

blokada spinlock_t; /* blokada chroniąca ten timer */

void (*funkcja) (długi bez znaku); /*funkcja obsługi timera*/ długie dane bez znaku; /* argument pojedynczej procedury obsługi */ struct tvec_t_base_s *base; /*dane wewnętrznego timera, nie dotykaj! */

Na szczęście korzystanie z timerów nie wymaga głębokiego zrozumienia przeznaczenia pól w tej strukturze. W rzeczywistości zdecydowanie odradza się niewłaściwe używanie pól tej struktury w celu zachowania zgodności z możliwymi przyszłymi zmianami kodu. Jądro udostępnia rodzinę interfejsów timera ułatwiających to zadanie. Wszystkie niezbędne definicje znajdują się w pliku . Większość implementacji znajduje się w pliku kernel/timer.c.

Pierwszym krokiem w tworzeniu timera jest zadeklarowanie go w następujący sposób.

struktura lista_timerów mój_timer;

Następnie należy zainicjować pola konstrukcji przeznaczone do użytku wewnętrznego. Odbywa się to za pomocą funkcji pomocniczej przed wywołaniem jakichkolwiek funkcji działających na timerze.

mój_timer.expire s = jiffie s + opóźnienie; /* przedział czasowy timera zakończy się po impulsach opóźniających */

7 Innym powodem jest to, że w starszych jądrach (przed 2.3) istniały statyczne liczniki czasu. Te liczniki czasu zostały utworzone w czasie kompilacji, a nie w czasie wykonywania. Miał ograniczone możliwości i teraz nikt nie jest zmartwiony ich nieobecnością.

mój_timer.data = 0; /* do funkcji obsługi Sudet przekazywany jest parametr równy zero */

mój_timer.funkcja = moja_funkcja; /* funkcja do wykonania

po wygaśnięciu interwału czasowego */

Wartość pola my_timer.expire s wskazuje czas oczekiwania w impulsach timera systemowego (należy podać bezwzględną liczbę impulsów). Gdy bieżąca wartość zmiennej jiffie s stanie się większa lub równa wartości pola my_time r. wygasa, wywoływana jest funkcja obsługi my_timer.functiio n z parametrem my_timer.data. Jak widać z opisu struktury timer_list, funkcja obsługi musi być zgodna z poniższym prototypem.

void my_timer_function (długie dane bez znaku);

Parametr dat a umożliwia zarejestrowanie wielu timerów w jednym handlerze i rozróżnienie timerów o różnych wartościach tego parametru. Jeśli argument nie jest potrzebny, możesz po prostu podać wartość zerową (lub dowolną inną).

Ostatnią operacją jest aktywacja timera.

add_timer(&mój_timer);

I zaczyna się odliczanie czasu! Należy zwrócić uwagę na znaczenie wygasłej wartości pola. Jądro wykonuje procedurę obsługi, gdy bieżąca wartość licznika impulsów czasomierza systemowego więcej, niż określony czas odpowiedzi timera, lub równe do niego. Chociaż jądro gwarantuje, że żadna procedura obsługi timera nie zostanie wykonana przed jego wygaśnięciem, w dalszym ciągu mogą występować opóźnienia w wykonywaniu procedury obsługi timera. Zazwyczaj procedury obsługi licznika czasu są wykonywane w czasie zbliżonym do czasu uruchomienia, ale można je opóźnić do następnego taktu licznika systemowego. Dlatego timerów nie można używać do trudnych operacji w czasie rzeczywistym.

Czasami może być konieczna zmiana czasu timera, który jest już aktywny. Jądro implementuje funkcję mod_time r(), która pozwala na zmianę czasu uruchomienia aktywnego timera.

mod_timer(&mój_timer, jiffies + new_delay); /* ustawianie nowego czasu odpowiedzi*/

Funkcja mod_time r() umożliwia także pracę z timerem, który jest zainicjowany, ale nieaktywny. Jeśli timer nie jest aktywny, funkcja mod_timer() go aktywuje. Ta funkcja zwraca 0, jeśli timer był nieaktywny i 1, jeśli timer był aktywny. W obu przypadkach, zanim mod_time r() powróci, licznik czasu zostanie aktywowany, a czas jego uruchomienia zostanie ustawiony na określoną wartość.

Aby dezaktywować timer przed jego uruchomieniem, musisz użyć funkcji del_time r() w następujący sposób.

del_timer(&mój_timer);

Ta funkcja działa zarówno z timerami aktywnymi, jak i nieaktywnymi. Jeżeli timer jest już nieaktywny to funkcja zwraca wartość 0, w przeciwnym razie zwraca wartość 1. Należy pamiętać, że nie ma potrzeby wywoływania tej funkcji

funkcja dla timerów, których limit czasu upłynął, ponieważ są one automatycznie dezaktywowane.

Po usunięciu liczników czasu może wystąpić sytuacja wyścigu. Kiedy funkcja del_time r() powraca, gwarantuje to jedynie, że licznik czasu będzie nieaktywny (to znaczy, że jego procedura obsługi nie będzie wykonywana w przyszłości). Jednakże na maszynie wieloprocesorowej procedura obsługi timera może być uruchomiona w tym momencie na innym procesorze. Aby dezaktywować timer i poczekać na zakończenie jego procedury obsługi, która potencjalnie może być uruchomiona, musisz użyć funkcji del_timer_syn c():

del_timer_sync(&mój_timer);

W przeciwieństwie do funkcji del_timer(), del_timer_sync() nie można wywołać z kontekstu przerwania.

Warunki wyścigu powiązane z licznikami czasu

Ponieważ liczniki czasu są wykonywane asynchronicznie w odniesieniu do aktualnie wykonywanego kodu, potencjalnie może wystąpić kilka typów warunków rywalizacji o zasoby. Po pierwsze, nigdy nie powinieneś używać poniższego kodu jako zamiennika funkcji inod_timer().

del_timer (mój_timer) ;

mój_timer->wygasa = jiffies + new_delay;

add_timer(mój_timer);

Po drugie, prawie we wszystkich przypadkach powinieneś używać funkcji del_timer_sync() zamiast funkcji del_timer(). W przeciwnym razie nie można zagwarantować, że procedura obsługi licznika czasu nie jest aktualnie uruchomiona. Wyobraź sobie, że po usunięciu timera kod zwolni pamięć lub w inny sposób zakłóci zasoby używane przez funkcję obsługi timera. Dlatego preferowana jest wersja synchroniczna.

Na koniec należy upewnić się, że wszystkie udostępnione dane, do których uzyskuje dostęp funkcja obsługi timera, są chronione. Jądro wykonuje tę funkcję asynchronicznie w stosunku do innego kodu. Udostępniane dane muszą być chronione zgodnie z opisem w rozdziałach 8 i 9.

Implementacja timerów

Jądro wykonuje procedury obsługi timera w kontekście obsługi odroczonego przerwania po zakończeniu przetwarzania przerwania timera. Procedura obsługi przerwania timera wywołuje funkcję update_process_time s(), która z kolei wywołuje funkcję run_local_timer s(), która wygląda następująco.

void run_local_timers(void)

raise_softirq(TIMER_SOFTIRQ);

Oczekujące przerwanie o numerze TIMER_SOFTIRQ jest obsługiwane przez funkcję run_tirner_softir q(). Ta funkcja wykonuje procedury obsługi na lokalnym procesorze dla wszystkich liczników, dla których upłynął limit czasu. ( Jeśli znajdują się jakiekolwiek).

Timery są przechowywane na połączonej liście. Jednakże byłoby nierozsądne, gdyby jądro przeglądało całą listę w poszukiwaniu timerów, dla których upłynął limit czasu, lub utrzymywało listę posortowaną na podstawie daty wygaśnięcia timerów. W tym drugim przypadku wstawianie i usuwanie timerów zajmowałoby dużo czasu. Zamiast tego liczniki czasu są podzielone na 5 grup na podstawie czasu reakcji. Timery przemieszczają się z jednej grupy do drugiej w miarę zbliżania się czasu wyzwalania. To grupowanie zapewnia, że ​​w większości przypadków podczas wykonywania procedury obsługi odroczonych przerwań odpowiedzialnej za wykonywanie procedur obsługi timerów, jądro wykona niewiele pracy, aby znaleźć liczniki czasu, które wygasły. Dlatego kod zarządzający timerem jest bardzo wydajny.

Czasownik czasownikowy, oznaczający związek działania z momentem mowy, niezależnie od innych form czasu w mowie... Słownik terminów językowych T.V. Źrebię

czas absolutny- Werbalna forma czasu, niezależna od innych form czasu w zdaniu, określona przez jej związek z momentem mowy. Czytam książkę; Czytałem książkę; Będę czytać książkę. porównaj: czas względny... Słownik terminów językowych

CZAS- podstawowa koncepcja ludzkiego myślenia, odzwierciedlająca zmienność świata, proceduralny charakter jego istnienia, obecność w świecie nie tylko „rzeczy” (obiektów, przedmiotów), ale także zdarzeń. Treść ogólnej koncepcji V. obejmuje aspekty... ... Encyklopedia filozoficzna

Czas w języku niemieckim- Czas w języku niemieckim to kategoria gramatyczna czasownika, która wyraża czasowy związek wydarzeń z określonym momentem w czasie: na przykład z momentem mowy lub momentem innej czynności. Istnieją trzy etapy czasowe: ... ... Wikipedia

czas (współrzędna)- sekwencja czasowa istnienia (# kwitnienie). jaki czas. godziny (# zajęć). rok. era. razy (poprzednio #). czas absolutny to czas określony przez jego związek z momentem mowy. bezwzględna skala czasu. czas względny czas,… … Słownik ideograficzny języka rosyjskiego

CZAS- kategoria gramatyczna czasownika, której formy ustanawiają czasowy związek między nazwaną akcją a momentem mowy (czas absolutny) lub inną nazwaną akcją (czas względny) ... Wielki słownik encyklopedyczny

CZAS (kategoria gramatyczna czasownika)- CZAS, kategoria gramatyczna czasownika, której formy ustanawiają czasowy związek między wywołaną akcją a momentem mowy (czas absolutny) lub inną nazwaną akcją (czas względny) ... słownik encyklopedyczny

Czas (lingwistyka)- Termin ten ma inne znaczenia, patrz Czas (znaczenia). Czas to kategoria gramatyczna czasownika, wyrażająca związek czasu sytuacji opisanej w mowie z momentem wypowiedzenia wypowiedzi (czyli z momentem mowy lub segmentu ... ... Wikipedia

Czas (czasownik)

Czas (gramatyka)- Czas to kategoria gramatyczna czasownika, wyrażająca związek czasu sytuacji opisanej w mowie z momentem wypowiedzenia wypowiedzi (tj. z momentem mowy lub okresem czasu, który w języku jest oznaczony słowem „teraz”), które jest rozumiane jako… ... Wikipedia

Książki

• Czas lotu, Nagaev A.. Myślę, że większość współczesnych pilotów została sprowadzona do lotnictwa przez romans w zawodzie, a absolutna większość pozostała romantyczkami na zawsze. To jest sedno zawodu, to jest miłość na całe życie.... Kup za 3830 RUR
• Ordynans. Długie Halloween. Wydanie absolutne, Jeph Loeb, Tim Sale. Tajemniczy zabójca o pseudonimie Holiday zaznacza czerwone daty w kalendarzu krwią swojej kolejnej ofiary. Pracując ramię w ramię z komisarzem policji Jamesem Gordonem i prokuratorem okręgowym Harveyem Dentem,…