Який основний закон природи

ЗАКОНИ ПРИРОДИ

А чи рахували ви, скільки законів вивчали на уроках фізики, хімії, біології, правознавства? Додайте до них ще закон Мерфі, закон бутерброда, закон Фінейгла 1 . Тоді ви матимете перелік законів, що описують природні явища, правові відносини, а також життєві ситуації, коли у вас щось не вдається. Поміж них є часткові, універсальні й навіть жартівливі. Ми будемо розглядати універсальні закони природи.

1 Жартівливий універсальний філософський принцип, який полягає в тому, що якщо яка-небудь неприємність може трапитись, — вона таки трапиться. Бутерброд завжди падає маслом донизу — аналог закону збільшення ентропії, популярний поміж хакерів; англ. Finagle — шахраювати.

ВИ НАВЧИТЕСЯ

Знати універсальні закони природи (збереження) та універсальні поняття й величини (енергія, маса, ентропія, рух, простір, час).

Мати уявлення про спеціальну й загальну теорію відносності, ентропію як характеристику напрямку і необоротності перебігу процесів у системі; про класичні властивості простору, часу та матерії.

Розуміти, що законам збереження підпорядковано всі процеси, що відбуваються як у неживій, так і в живій природі, і що вони є фундаментальними законами природи.

Пояснювати взаємозв’язок маси та енергії як наслідок теорії відносності. Усвідомлювати єдність різноманіття об’єктів природи.

Оцінювати значення науки в пізнанні світу.

УСЕ ТЕЧЕ, УСЕ ЗМІНЮЄТЬСЯ

Цей знаменитий вислів філософа Геракліта (544—483 до н. е., Давня Греція), свідчить про те, що все, що є у світі — змінюється. Подальше вивчення навколишнього світу показало, що будь-яка зміна, що відбувається в природі, є рухом матерії. Рух матерії може змінювати свою форму, але сам рух матерії не виникає й не знищується (мал. 5.1).

Мал. 5.1. Філософи стародавнього світу — про рух і матерію

Поміж різних форм руху матерії виокремлюють кілька основних (мал. 5.2).

Мал. 5.2. Про види руху в науці й літературі

«Спізнаєш ти шляхи світил, збагнеш природи вічний рух, і в душу вступить повінь сил. »

Й. В. Гете. Фауст

«Так усе колись минеться, все, що вдіє людський дух, неодмінним зістається лиш невпинний, вічний рух. »

Володимир Самійленко. Дві планети

Якщо уважно придивитися, то ці форми руху відображають рух матерії в живій і неживій природі, але соціальна форма руху дещо виходить за межі природознавства, оскільки здійснюється не лише через предмети, створені людиною, а й через зміну самої людини, через її суспільний розвиток. Адже в процесі життєдіяльності людства перетинаються дві лінії розвитку: природна еволюція неживої й живої матерії і, так би мовити, «штучної матерії», яка лежить в основі суспільних явищ.

Світ, що існує, у своїй різноманітності єдиний і в єдності різноманітний. Виявом єдності світу є єдність його законів, універсальність властивостей. Загальною властивістю руху і взаємодії всіх видів матерії є енергія, яка, зрозуміло, як і рух, не виникає ні з чого й нікуди не зникає, вона може тільки переходити з одного стану в інший (закон збереження енергії).

Закони збереження — це група законів, які стверджують, що значення певних фізичних величин не змінюється в замкненій системі з її еволюцією. Основними законами збереження є:

• закон збереження енергії;

• закон збереження маси (у класичній фізиці) й маси-енергії (у релятивістській);

• закон збереження імпульсу й моменту імпульсу;

• закон збереження електричного заряду;

• ряд законів збереження у фізиці елементарних частинок.

Універсальним є закон збереження енергії. Поняття енергії поєднує всі явища природи в одне ціле, є універсальною величиною.

Поняття енергії складалося в фізиці протягом багатьох століть. Його розуміння весь час змінювалося. Уперше термін «енергія» в сучасному фізичному розумінні застосував у 1808 р. фізик Томас Янг (1773—1829, Велика Британія). До того вживали термін «життєва сила» (лат. vis viva), який ще в XVII ст. ввів у обіг Готфрид Лейбніц (1646—1716, Священна Римська імперія), визначивши його як добуток маси на квадрат швидкості. У 1829 р. математик, механік та інженер Гаспар-Гюстав де Коріоліс (1792—1843, Франція) уперше застосував термін кінетична енергія в сучасному сенсі, а термін потенціальна енергія був запроваджений інженером-будівельником, фізиком і математиком Вільямом Ранкіном (1820—1872, Велика Британія) у 1853 р. На той час здобуті в дослідженнях у різних областях науки дані почали складати в загальну картину. Завдяки дослідам фізиків Джеймса Джоуля (1818—1889, Велика Британія), Юліуса фон Маєра (1814—1878, Німеччина), Германа Гельмгольца (1821—1894, Німеччина) було прояснено питання перетворення механічної енергії в теплову. В одній з перших робіт «Про збереження сили» (1847) Гельмгольц, із погляду ідеї єдності природи, математично обґрунтував закон збереження енергії та положення про те, що організм є фізико-хімічним середовищем, у якому зазначений закон точно виконується. Він сформулював «принцип збереження сили» й неможливість Perpetuum Mobile (вічного двигуна). Ці відкриття дали змогу сформулювати перший закон термодинаміки або закон збереження енергії. Поняття енергії стало центральним у розумінні фізичних процесів. Незабаром природно в поняття енергії було вписано термодинаміку хімічних реакцій та теорію електричних і електромагнітних явищ.

З побудовою спеціальної теорії відносності поняттю енергія надали нового змісту. Якщо раніше потенціальну енергію визначали з точністю до довільної сталої, то теорія Альберта Ейнштейна встановила зв’язок енергії з масою.

Квантова механіка збагатила поняття енергії квантуванням: для певних фізичних систем енергія може набувати лише дискретних значень. Крім того, принцип невизначеності встановив границі точності вимірювання енергії та її взаємозв’язок із часом. Теорема, доведена фахівчинею з математики Еммі Нетер (1882—1935, Німеччина), продемонструвала, що закон збереження енергії випливає з принципу однорідності часу, за яким фізичні процеси в однакових системах відбуваються однаково, навіть якщо вони починаються в різні моменти часу.

Відповідно до різних форм руху матерії, розрізняють кілька типів енергії: механічну, електромагнітну, хімічну, ядерну, теплову тощо. Цей поділ є досить умовним. Так, хімічна енергія складається з кінетичної енергії руху електронів і потенціальної енергії їхньої взаємодії та взаємодії з атомами.

Якщо простежити «родовід» усіх цих різноманітних видів енергії, то виявиться, що всі вони є енергією сонячного випромінювання. Енергія космічного простору, що оточує нас, акумулює Сонце у вигляді енергії атомних ядер, хімічних елементів, електромагнітних і гравітаційних полів. Сонце забезпечує Землю енергією, що виявляється у вигляді енергії вітру та хвиль, приливів і відливів, у формі геомагнетизму, різного виду випромінювань (зокрема й радіоактивності), мускульної енергії представників тваринного світу. Геофізична енергія вивільняється у вигляді природних стихійних явищ (вулкани, землетруси, грози, цунамі), обміну речовин в організмах, що становлять основу життя, корисної роботи з переміщення тіл, зміни їхньої структури, якості, передавання інформації, накопиченні енергії в різного роду акумуляторах, конденсаторах, у пружній деформації пружин, мембран тощо (мал. 5.3).

Мал. 5.3. Перетворення енергії в природі

Енергія одного виду може перетворюватися на енергію іншого виду, наприклад, хімічна енергія може перетворюватися на теплову, теплова енергія — на механічну тощо.

Розгляньмо приклад. У молекулі хімічної сполуки атоми сполучені між собою хімічними зв’язками. Для того щоб розірвати хімічний зв’язок, потрібно витратити певну енергію, величина якої залежить від типу зв’язку. В одних молекулах енергія зв’язку більша, в інших — менша. Так, енергія зв’язку в молекулі карбон(IV) оксиду (СО2) більша, ніж сумарна енергія атома Карбону у вугіллі (С) й атомів Оксигену в молекулі кисню (O2). Тому можлива хімічна реакція горіння, унаслідок якої утворюється вуглекислий газ, а залишки хімічної енергії передаються поступальному тепловому руху молекул, тобто перетворюються на тепло. Виділене в результаті горіння тепло можна використати, наприклад, для нагрівання пари в паровій турбіні, яка під час обертання створює електрорушійну силу в генераторі — електроенергію. Електроенергія так само може бути використана для виконання механічної роботи, наприклад, підйому ліфта, або ж для освітлення, де електрична енергія перетворюється на енергію електромагнітних хвиль — світла.

Будь-які форми енергії перетворюються одна на одну за допомогою механічного руху, хімічних реакцій і електромагнітних випромінювань та врешті-решт переходять у тепло й розсіюються в навколишньому просторі (мал. 5.4.). Вияви цього явища — вибухові процеси, горіння, гниття, плавлення, випаровування, деформація, радіоактивний розпад.

Мал. 5.4. Взаємоперетворення різних форм енергії

Основна властивість організмів полягає в їхній здатності вловлювати, перетворювати та запасати енергію в різних формах. Закони, що — визначають перетворення енергії, вивчає термодинаміка. Закони термодинаміки універсальні для живої та неживої природи.

Будь-яку частину довкілля, яку ми хочемо дослідити й описати з погляду термодинаміки, називають системою. Наприклад, це може бути шматок льоду, газ у балоні, повітря в кімнаті, клітина, мітохондрія, серце, організм, біосфера. Схарактеризуємо термодинамічні системи.

Термодинамічна система — сукупність матеріальних об’єктів (тіл), відокремлена від навколишнього середовища. Виокремлюють три види систем (мал. 5.5):

1) ізольована система — обмін ні речовиною, ні енергією з навколишнім середовищем не відбувається (математична модель, реально не існує);

2) закрита система — відбувається обмін енергією, але не речовиною з навколишнім середовищем (закрита посудина з речовиною);

3) адіабатно ізольована система — обмін енергією у вигляді теплоти з навколишнім середовищем не відбувається (термос);

4) відкрита система — відбувається обмін і енергією, і речовиною з навколишнім середовищем (жива система).

Для характеристики термодинамічної системи використовують фізичні величини, значення яких зумовлені її термодинамічним станом (температурою, тиском, ентропією тощо.

Організм — це відкрита система. І лише в окремих частинах клітини можуть існувати умови для замкнутої чи ізольованої систем.

Мал. 5.5. Види термодинамічних систем

Усі види діяльності клітини здійснюються за рахунок енергетичних затрат. Єдиним джерелом життя в організмі є енергія, яка міститься в хімічних зв’язках молекул жирів, білків і вуглеводів, що надходять до організму з їжею. У результаті процесів окиснення відбувається ступінчасте вивільнення цієї енергії, а потім частина її розсіюється у вигляді тепла, а частина — накопичується у вигляді мікроергічних зв’язків (це відбувається в молекулах АТФ — аденозинтрифосфатної кислоти).

Енергетичні процеси в організмі відбуваються у відповідності до першого закону термодинаміки, тобто закону збереження та перетворення енергії, що поширюється на теплові явища. Можливими формами передавання енергії від одного тіла до іншого є теплопередача та виконання роботи. Виконана робота й кількість теплоти, яку передано тілу, визначають зміну енергії тіла в будь-якому процесі. Іншими словами, якщо надати тілу (системі) деяку кількість теплоти ΔQ, то вона може бути витрачена на збільшення внутрішньої енергії ΔU та на виконання системою роботи ΔА проти зовнішніх сил, тобто: ΔQ = ΔU + ΔA.

Завдяки терморегуляції температура тіла людини та теплокровних тварин підтримується сталою. Важливою частиною терморегуляції є теплообмін з навколишнім середовищем (теплопровідність, конвекція, випаровування, випромінювання/поглинання). Чимало факторів упливають на теплообмін людини з навколишнім середовищем:

• стан навколишнього середовища (вологість, температура, вітер та ін.);

• стан самої людини (у стані спокою або руху, збудженість);

• наявність і кількість одягу тощо.

Дані, що ілюструють надходження та вивільнення енергії людиною, наведено в таблиці 5.1.

Таблиця 5.1.

Надходження та вивільнення енергії людиною

Організм утрачає тепло переважно через шкіру. Якщо температуру, властивості шкіри та деякі інші чинники вважати незмінними, то втрати тепла прямо пропорційні площі поверхні організму. Отже, енергію, яку отримують за рахунок їжі, витрачають на тепловіддачу з поверхні тіла та на енергію, необхідну для руху. Мінімальна кількість їжі має бути прямо пропорційною площі поверхні тіла.

Теплопровідність, як один зі способів теплопередачі, відіграє суттєву роль у життєдіяльності організму, зокрема сприяє вирівнюванню температур у різних його частинах, залишивши невелику різницю між поверхнею шкіри та внутрішніми органами й тканинами.

Велике значення має зменшення теплообміну в поверхневому шарі, чого тварини досягають за допомогою волосяного покриву, а люди — використанням одягу. Такі покриви утворюють повітряний шар, який має низьку теплопровідність.

Перетворення енергії в живій клітині. Зелене листя, що поглинає сонячні промені, здійснює фотосинтез, під час якого енергія світла перетворюється на хімічну енергію, яку рослини «запасають» в органічних сполуках, наприклад у глюкозі.

Хімічна енергія глюкози перетворюється в процесі клітинного окиснення частково в тепло, а частково — в іншу форму хімічної енергії, в енергію макроергічних зв’язків АТФ — аденозинотрифосфатної кислоти. За рахунок гідролізу АТФ може відбуватися перенесення речовин з області з нижчою концентрацією в область із вищою концентрацією (осмотична робота), перенесення йонів в область вищого електричного потенціалу (електрична робота); в організмі тварини — скорочення м’язів (механічна робота). При цьому частина хімічної енергії АТФ перетворюється на осмотичну, електричну та механічну енергію.

Відбувається кругообіг енергії в природі, для якого характерним є те, що в космічному просторі реалізується не лише хаотичність, а й обернений процес — упорядковування структури.

§ 34. ЕКОЛОГІЧНІ ЗВ’ЯЗКИ. ЕКОЛОГІЧНІ ЗАКОНИ

Основні поняття й ключові терміни: ЕКОЛОГІЧНІ ЗВ’ЯЗКИ. Екологічні явища. ЕКОЛОГІЧНІ ЗАКОНИ.

Пригадайте! Які існують зв’язки екології з іншими науками?

Поміркуйте!

Філософія (від грец. любов до мудрості) – наука, предметом якої є відносини людини з навколишнім світом. Методологічної основою будь-якої науки є універсальні закони філософії: закон єдності й боротьби протилежностей, закон переходу кількісних змін у якісні та закон заперечення. У сучасному суспільстві формується новий напрям філософських досліджень – філософія екології. Чи може філософія допомогти в розв’язуванні екологічних проблем сучасності?

ЗМІСТ

Які особливості екологічних зв’язків?

У природі існує загальний зв’язок явищ, тобто спосіб існування об’єктів природи у їхній взаємодії, взаємовпливах і взаємопереходах. Предметом екології є лише певна сукупність цих зв’язків, а саме екологічних. Що ж таке екологічні зв’язки?

ЕКОЛОГІЧНІ ЗВ’ЯЗКИ – це закономірні взаємовідносини, що виникають між об’єктами неживої природи й організмами та надорганізмовими біосистемами. Вони можуть бути дуже різними: структурними й функціональними, випадковими й необхідними, прямими й опосередкованими. Їх класифікують за різними критеріями. За походженням розрізняють внутрішні й зовнішні зв’язки. Внутрішні зв’язки – це зв’язки між елементами біосистеми, сукупність яких утворює її структуру й сутність. Зовнішні зв’язки являють собою відносини між даним явищем і навколишніми об’єктами або процесами. Екологічні зв’язки існують на всіх рівнях організації життя: організмові, популяційні, видові, біоценотичні (трофічні, топічні, фабричні, форичні), екосистемні (біогеоценотичні), біосферні. Оскільки біологічні системи є відкритими й обмінюються із середовищем речовинами, енергією та інформацією, тому можна виокремлювати речовинні, енергетичні та інформаційні зв’язки.

Екологічні зв’язки визначають екологічну сутність і явища будь-якої біосистеми, оскільки вони відкриті для середовища. Поняття екологічна сутність виражає головне в біосистемі, що зумовлене внутрішніми зв’язками між складовими структурними компонентами. Так, у біогеоценозах головними зв’язками є взаємозв’язки між біотопом і біоценозом або трофічні відносини між популяціями. Категорія екологічні явища відображає зовнішні властивості, процеси, зв’язки біосистеми з навколишнім середовищем, що доступні для дослідження за допомогою екологічних методів. До екологічних явищ належать екологічний стан біосистеми та екологічні процеси, що в ній відбуваються, а також екологічні механізми саморегуляції, самооновлення та самовідтворення.

Отже, предметом екології є вся різноманітність досліджуваних екологічних зв’язків у відносинах живого з неживим.

Які особливості та класифікація екологічних закономірностей?

Особливе значення в системі екологічних зв’язків мають закономірності, що характеризують екологічні явища з якісного боку. Екологічна закономірність – це певна залежність між подіями навколишнього середовища та екологічними явищами, що характеризується певною впорядкованістю, відносною сталістю, регулярністю зв’язків. Так, у відповідь на нестачу Магнію в ґрунті в кукурудзі зменшуються вміст хлорофілу та стійкість проти хвороб. Проявляється це у вигляді хлорозу. Листки стають плямистими (мармуровість), блідими, жовтуватими. Якщо ця закономірність спостерігається не лише в кукурудзи, а й в інших видів рослин, то вона набуває статусу екологічного правила або закону. Так, у 1828 р. німецький ботанік Ф. К. Шпренгель, вивчаючи вплив вмісту різних хімічних елементів у ґрунті на зростання рослин, сформулював правило мінімуму: ріст рослин обмежується кількістю поживної речовини, що міститься в найменшій концентрації. Подальші дослідження розширили сферу застосування цього правила, і в сучасній екології ця закономірність формулюється як закон обмежувального чинника: найбільший лімітуючий вплив на організм, популяцію або угруповання мають ті життєво важливі чинники зовнішнього середовища, кількість (концентрація) яких є близькою до мінімального критичного рівня.

ЕКОЛОГІЧНИЙ ЗАКОН – це об’єктивний, постійний і необхідний взаємозв’язок між біосистемами та навколишнім середовищем, що випливає з їх внутрішньої екологічної сутності. Більшість екологічних законів вдало узагальнив американський еколог Б. Коммонер у 1974 р., звівши їх до чотирьох законів: «Усе пов’язане з усім», «Усе має кудись подітися», «Природа “знає” краще» і «Ніщо не дається задарма». Згідно з основними напрямами біоекології екологічні закони поділяють на аутекологічні, демекологічні, синекологічні, екосистемологічні та біосферологічні.

Аутекологічні закони відображають закономірності дії екологічних чинників на структуру, функції і розвиток організмів. До найвідоміших законів цієї групи окрім закону обмежувального чинника відносять ще закон єдності середовища та організмів, закон оптимуму та закон взаємокомпенсації екологічних чинників.

Демекологічні закони – це закономірності екологічних явищ на рівні популяцій та видів. Закон обмеженого росту, закон Гаузе, правило Бергмана, правило Алена є прикладами законів популяційної екології, що вивчає динаміку розвитку популяцій, їхні механізми саморегуляції, формування адаптацій та ін.

Синекологічні закони, або закономірності функціонування біоценозів й угруповань. Це закон обмеженості (вичерпності) природних ресурсів, правило екологічного дублювання, правило «метаболізм і розміри особин» (правило Ю. Одума) та ін.

Екосистемологічні закони є закономірностями взаємозв’язків екосистем з довкіллям та між собою в складі біосфери. До цієї групи відносять правило екологічної піраміди, закон односпрямованості потоку енергії, закон внутрішньої динамічної рівноваги.

Біосферологічні закони мають найвищий статус серед екологічних закономірностей. Більшість із них сформулював В. І. Вернадський. Це закон біогенної міграції хімічних елементів, закон єдності живої речовини, закон ноосфери.

Отже, головне завдання екології полягає в тому, щоб осягнути закономірності досліджуваних екологічних зв’язків, зрозуміти сутність й явища, характерні для надорганізмових систем.

Які принципи застосування екологічних законів у практичній діяльності людини?

Методологічною основою сучасної екології є філософське розуміння поняття «система» та системний підхід як особливий напрям досліджень. Сутність цього підходу полягає у вивченні кожного елементу структури системи в його взаємодії з іншими елементами й середовищем, що уможливлює розуміння функціонування й змін системи в цілому. Застосування системного підходу ґрунтується на основних положеннях: 1) кожна система має свою СТРУКТУРУ, що утворюється сукупністю елементів; 2) кожна система має ВНУТРІШНІ Й ЗОВНІШНІ ЗВ’ЯЗКИ; 3) ФУНКЦІОНУВАННЯ системи відбувається у взаємозв’язках із середовищем.

Застосування екологічних законів у практичній діяльності людини має відбуватися на основі певних принципів:

  • принцип оновлення ресурсів – людина має використовувати такі ресурси й у такій кількості, щоб відбувалося їх поступове відновлення внаслідок природних процесів;
  • принцип цілісності природи – вплив на якийсь елемент природи позначається на її інших складниках, оскільки всі елементи й процеси природи нерозривно пов’язані між собою;
  • принцип рециклічності, або повторне багаторазове використання найважливіших речовин, оскільки в природі є й невідновні ресурси;
  • принцип завбачливості – людина має передбачати наслідки впливу на природу, запобігати виникненню та розвитку негативних змін.

Основними галузями застосування екологічних закономірностей є сільське господарство, рибне господарство, лісова промисловість, охорона природи. Так, для вирощування рослин необхідними є знання закономірностей впливу екологічних чинників, для розведення риби – знання популяційних закономірностей, створення штучних екосистем має відбуватися на основі екосистемологічних законів (іл. 57).

Іл. 57. Аквакультура лосося – найефективніший спосіб отримання продукції

Отже, розуміння екологічних закономірностей та принципів їхнього застосування є необхідною умовою збереження природи та розвитку суспільства.

ДІЯЛЬНІСТЬ

Самостійна робота з таблицею

Пригадайте визначення екологічних законів, що ви їх вивчали раніше. Наведіть приклади застосування екологічних законів у різних галузях діяльності людини в сучасному суспільстві. Обґрунтуйте твердження про необхідність знань екологічних закономірностей для розуміння природи й сучасних технологій.

Застосування екологічних законів у практичній діяльності людини

Група

Закон та його визначення

Галузь застосування

Related Post

Як посадити цибулю на перо у відкритий ґрунтЯк посадити цибулю на перо у відкритий ґрунт

Зміст:1 Цибуля зелена: вигонка і вирощування на перо1.1 Прослухати статтю1.2 Зелена цибуля – опис1.3 Вигонка цибулі на перо (зелень)1.3.1 Вирощування цибулі на перо1.3.2 Як посадити цибулю на зелень1.3.3 Коли садити