Термодинамика
Вероятностная и термодинамическая трактовка энтропии. Макроскопическое и микроскопическое описание объектов природы. Понятие вероятности как атрибута больших систем. Проблема тепловой смерти Вселенной. Динамика неравновесных систем и их самоорганизация.
| Рубрика | Биология и естествознание |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 06.09.2013 |
| Размер файла | 70,6 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Реферат
Термодинамика
Содержание
- Термодинамика и статистическая физика
- Первое начало термодинамики
- Второе начало термодинамик
- Энтропия. Понятие энтропии. Термодинамическая трактовка
- Энтропия. Вероятностная трактовка. Макроскопическое и микроскопическое описание объектов природы
- Вероятность как атрибут больших систем
- Стрела времени
- Проблема тепловой смерти Вселенной и флуктуационная гипотеза Больцмана
- Термодинамика и неравновесные системы
- Литература
- Развитие представлений о природе тепловых явлений - пример того, каким сложным и противоречивым путем постигается естественнонаучная истина.
- Многие философы древности рассматривали огонь и связанную с ним теплоту как одну из стихий, которая наряду с землей, водой и воздухом образует все тела. Одновременно предпринимались попытки связать теплоту с движением, ибо было замечено, что при соударении тел или их трении они нагреваются.
- Первые успехи на пути построения научной теории теплоты относятся к началу XVII в., когда был изобретен термометр и появилась возможность количественного исследования тепловых процессов и свойств макросистем. Вновь перед наукой встал вопрос: что же такое теплота? Наметились две противоположные точки зрения. Согласно одной из них - вещественной теории тепла - теплота рассматривалась как особого рода невесомая "жидкость", способная перетекать от одного тела к другому. Такая жидкость была названа теплородом. Чем больше теплорода в теле, тем выше температура тела. Приверженцы другой точки зрения полагали, что теплота - это вид внутреннего движения частиц тела. Чем быстрее движутся частицы тела, тем выше его температура. Таким образом, представление о тепловых явлениях и свойствах связывалось с атомистическим учением древних философов о строении вещества. В рамках подобных представлений теорию тепла называли корпускулярной или кинетической. Ее придерживались Ньютон, Гук, Бойль, Бернулли и др.
- И все же, несмотря на многие преимущества корпускулярной теории теплоты, к середине XVIII в. временную победу одержала теория теплорода. Это произошло после экспериментального доказательства сохранения теплоты при теплообмене, что послужило основанием для вывода о сохранении (неуничтожении) тепловой жидкости - теплорода. С помощью введенного понятия теплоемкости тел удалось создать количественную теорию теплопроводности. Многие термины, введенные в то время, сохранились доныне.
- Опыты Румфорда - удар по теории теплорода. Румфорд проводил опыты с трением. Теплородная теория объясняла выделение теплоты при трении тел друг о друга тем, что при трении тела как бы "выжимают" из себя теплород, вследствие чего количества теплорода в них (теплоемкость) должны изменяться. В 1798 г. Румфорд провел эксперимент, связанный со сверлением пушечного ствола. В течение 2,5 часов за счет трения было получено количество теплоты, достаточной для превращения в пар 12 кг воды при получении всего лишь 270 г. металлической стружки. Далее было показано, что стружка имеет такую же удельную теплоемкость как исходный материал отливки, т.е. о никакой "выжимке" не могло быть речи, и теплота не могла быть получена за счет "выжимания" теплорода из металла.". источник теплоты, порожденный трением, - писал Б. Румфорд, - оказался в этих экспериментах неисчерпаемым". Следовательно, нечто, которое любое изолированное тело или система тел может поставлять без ограничения не может быть материальной субстанцией.
- Тем не менее, несмотря на опыты Румфорда теплородная теория не была изжита. Для окончательной победы кинетической теории потребовались исследования обратных процессов - превращения теплоты в работу. Такими исследованиями стали работы по исследованию функционирования тепловых машин, получивших к началу 19 в. широкое распространение. К этому времени встала задача о повышении их эффективности, для чего был необходим теоретический анализ процесса превращения теплоты в работу. Это и сделал Сади Карно в 1827 г. Тогда было уже совершенно ясно, что теплота и механическая работа обратимы одна в другую. Для торжества кинетической теории важно было установить механический эквивалент теплоты.
- Достаточно точно значение механического эквивалента теплоты было определено Джоулем. Джоуль поставил опыт, в котором опускающийся груз вращал лопатку, помещенную в различные жидкости. Перемешивание жидкости приводило к ее нагреванию. Сопоставляя значение механической работы опускающегося груза с количеством теплоты, необходимым для нагревания жидкости на определенную температуру, Джоуль определил значение механического эквивалента теплоты.
Термодинамика и статистическая физика
Термодинамика. Работы Джоуля, Карно и др. позволили выработать так называемый "закон сохранения сил" (понятия "сила" и "энергия" в то время еще строго не различались). Однако первая ясная формулировка этого закона была получена физиками Р. Клаузиусом и У. Томсоном (лордом Кельвином) на основе анализа исследования работы тепловой машины, которое провел С. Карно. Рассматривая превращения теплоты и работы в макроскопических системах С. Карно фактически положил начало новой науке, которую Томсон впоследствии назвал термодинамикой. Термодинамика ограничивается изучением особенностей превращения тепловой формы движения в другие, не интересуясь вопросами микроскопического движения частиц, составляющих вещество.
Термодинамика, таким образом, рассматривает системы, между которыми возможен обмен энергией, без учета микроскопического строения тел, составляющих систему, и характеристик отдельных частиц. Различают термодинамику равновесных систем или систем, переходящих к равновесию (классическая, или равновесная термодинамика) и термодинамику неравновесных систем (неравновесная термодинамика). Классическая термодинамика чаще всего называется просто термодинамикой и именно она составляет основу так называемой Термодинамической Картины Мира (ТКМ), которая сформировалась к середине 19 в. Неравновесная термодинамика получила развитие во второй половине 20-го века и играет особую роль при рассмотрении биологических систем и феномена жизни в целом (синергетика).
Таким образом, при исследовании тепловых явлений выделились два научных направления:
1. Термодинамика, изучающая тепловые процессы без учета молекулярного строения вещества;
2. Молекулярно-кинетическая теория (развитие кинетической теории вещества в противовес теории теплорода);
Молекулярно-кинетическая теория, или статистическая физика. В отличие от термодинамики молекулярно-кинетическая теория характеризуется рассмотрением различных макроскопических проявлений систем как результатов суммарного действия огромной совокупности хаотически движущихся молекул. Молекулярно-кинетическая теория использует статистический метод, интересуясь не движением отдельных молекул, а только средними величинами, которые характеризуют движение огромной совокупности частиц. Отсюда второе название молекулярно-кинетической теории - статистическая физика.
Первое начало термодинамики
Опираясь на работы Джоуля и др., Клаузиус впервые высказал мысль, сформировавшуюся впоследствии в первое начало термодинамики. Он сделал вывод, что всякое тело имеет внутреннюю тепловую энергию. Клаузиус назвал ее теплом, содержащимся в теле, в отличие от "тепла, сообщенного телу”. Внутреннюю энергию можно изменить двумя эквивалентными способами: проведя над телом механическую работу, или сообщая ему количество теплоты.
В 1860 г.У. Томсон записывает первое начало термодинамики в следующей формулировке: Количество теплоты, сообщенное газу, идет на увеличение внутренней энергии газа и совершение газом внешней работы.
Первое начало термодинамики, или закон сохранения энергии, утверждает невозможность создания вечного двигателя 1-го рода, работающего без внешних источников энергии.
Майер составил таблицу всех рассмотренных им энергий природы и привел 25 случаев их превращений (тепло, механическая работа, электричество, химическая энергия вещества). Майер распространил положение о сохранении и превращении энергии и на живые организмы (поглощение пищи, химические процессы, тепловые и механические эффекты).
Эти примеры впоследствии были подкреплены работами Гесса (1840 г.), в которых исследовалось превращение химической энергии в теплоту, а также Фарадея, Ленца и Джоуля, в результате которых был сформулирован закон Джоуля-Ленца (1845) о связи электрической и тепловой энергии.
Таким образом, постепенно, на протяжении более четырех десятилетий сформировался один из самых великих принципов современной науки, приведший к объединению самых различных явлений природы. Этот принцип заключается в следующем: Энергия не меняется ни при каких превращениях, происходящих в природе, а только переходит из одной формы в другую.
Второе начало термодинамик
Второе начало термодинамики играет важнейшую роль в понимании процессов и явлений природы.
Впервые II начало было сформулировано в 1811 г. Жан-Батистом Фурье в его законе теплопроводности, и было одним из положений этого закона: тепло переносится от участков с большей температурой в направлении участков с меньшей температурой и никогда наоборот. Теплопроводность приводит к все большему выравниванию температур до тех пор, пока распределение температуры во всех точках пространства рассматриваемой изолированной системы не станет одинаковым.
Фактически, закон теплопроводности уже выходит за рамки классической ньютоновской механики по той причине, что описывал необратимый процесс, а все законы ньютоновской механики являются обратимыми, инвариантными относительно направления времени. Так в науку вошло понятие необратимости, дальнейшее развитие которого связано с работами С. Карно по исследованию действия паровых машин.
В тепловой машине тепло переносится от нагревателя к холодильнику через промежуточное звено - пар в цилиндре с поршнем, совершающий работу. При этом часть тепла, переданная газу нагревателем, не используется для совершения работы и безвозвратно пропадает в холодильнике.
Карно доказал, что КПД тепловых машин пропорционален разности температур нагревателя и холодильника. Возможность построения машины без холодильника, т.е. с КПД = 1, которая могла бы превращать в работу всю теплоту, полученную от нагревателя, не противоречит закону сохранения энергии. Такая машина, по сути, была бы аналогична perpettum mobile (вечному двигателю), так как могла бы производить работу за счет практически неисчерпаемых источников энергии, содержащихся в воде морей, океанов, атмосфере и недрах Земли. Такую машину У. Оствальд (1853-1932) назвал вечным двигателем II рода (в отличие от perpettum mobile I рода - вечного двигателя, производящего работу из ничего). Карно же исходил из невозможности вечного двигателя, опираясь на многочисленные опытные факты и утверждая, что в любом непрерывном процессе превращения теплоты от горячего нагревателя в работу непременно должна происходить отдача тепла холодильнику.
Таким образом, здесь проявляется общее свойство теплоты - уравнивание температурной разницы путем перехода от теплых тел к холодным. Это положение Клаузиус и предложил назвать Вторым началом термодинамики. Если Первое начало термодинамики утверждает закон сохранения энергии, ее баланс, то Второе начало определяет направления превращения энергии.
Энтропия. Понятие энтропии. Термодинамическая трактовка
В вычислениях Карно по балансу энергии в тепловых машинах появляется странная величина, имеющая размерность количества теплоты, деленной на температуру и определяющее направление передачи тепла.
В 1865 г. Клаузиус. предложил называть эту величину энтропией (entropia греч. поворот, превращение). Клаузиус предположил, что есть некоторая величина S (энтропия), которая, подобно энергии, давлению, температуре, характеризует состояние газа. Энтропия в обратимых термодинамических процессах сохраняется. Таким образом, она характеризует состояние системы.
Но практически все обратимые термодинамические процессы протекают только в идеальном газе, а практически все реальные - необратимы. В необратимых процессах энтропия только увеличивается. Энтропия - это мера необратимости процесса.
Понятие энтропии позволяет определить направление протекания процессов в природе. Тот факт, что энтропия изолированной системы не может убывать, а только возрастает, является отражением того, что в природе существуют процессы, протекающие только в одном направлении - в направлении передачи тепла от более горячих тел к менее горячим.
Теперь мы можем полностью определиться с формулировками II Начала термодинамики. Существует ряд его формулировок:
1. В природе невозможны такие процессы, единственным конечным результатом которых был бы переход тепла от менее нагретого к более нагретому.
2. КПД любой тепловой машины всегда <100%, т.е. невозможен вечный двигатель (perpettum mobile) II рода (т.к. невозможно построить тепловую машину, работающую не за счет перепада теплоты, а за счет теплоты одного нагревателя).
3. Энтропия изолированной системы не убывает (т.е. при протекании обратимых процессов энтропия постоянна, а при необратимых процессах она возрастает). Энтропия системы, находящейся в равновесном состоянии максимальна и постоянна.
Все, что выше говорилось об энтропии связано с ее т. н. термодинамической трактовкой, т.е. объяснения с позиций термодинамики. Все, за исключением самой последней формулировки, касающейся равновесного состояния. Последняя связана также с таким понятием как вероятность. Рассмотрим эту связь подробнее.
Энтропия. Вероятностная трактовка. Макроскопическое и микроскопическое описание объектов природы
Различные объекты и явления природы (системы) могут быть описаны как на микро-, так и на макроуровне, на основе их микросостояния или макросостояния.
Макросостояние. Состояние макроскопического тела (системы), заданное с помощью макропараметров (параметров, которые могут быть измерены макроприборами - давления, температуры, объемом и другими макроскопическими величинами, характеризующими систему в целом), называют макросостоянием.
Микросостояние. Состояние макроскопического тела, охарактеризованное настолько подробно, что заданы состояния всех образующих тело молекул, называется микросостоянием.
Термодинамика, как уже говорилось, рассматривает тепловые процессы в системах на макроскопическом уровне, оперируя макропараметрами: температура, теплота, давление, объем. Статистическая физика, или молекулярно-кинетическая теория рассматривает тепловые явления на микроуровне - с точки зрения движения молекул - их скорости, кинетической энергии.
Термодинамика, опираясь на понятие энтропии, четко различает обратимые и необратимые процессы. Существует ли для микросостояния понятие аналогичное энтропии? Утвердительно ответить на этот вопрос позволили работы великого австрийского физика Людвига Больцмана, в которых отличие обратимых процессов от необратимых было сведено с макроскопического уровня на микроскопический.
Выделив некоторую молекулу в сосуде с теплоизолированными стенками и наблюдая за ней, мы убедимся, что она может занимать любой положение в сосуде. Если же мысленно разделить объем на две половины, то в этом случае молекула, беспорядочно блуждая, сталкиваясь с другими молекулами, пробудет в одной половинке сосуда ровно половину времени, в течение которого мы ее наблюдаем. В этом случае говорят, что вероятность ее пребывания в одной из половинок сосуда равна Ѕ. Вероятность может принимать значения от 0 до 1. Если же мы будет наблюдать уже за двумя мечеными молекулами, то вероятность того, что мы обнаружим сразу обе молекулы в одной половинке сосуда, равна 1/2Ч1/2=1/4. Аналогично, для трех молекул эта вероятность равна (1/2) 3, а для N молекул (1/2) N. Т.е. вероятность стремительно падает. Таким образом, такое событие является маловероятным. Это понятно нам и на основе нашего жизненного опыта. Странно было бы, если бы все молекулы воздуха вдруг собрались бы в одной половине комнаты, а в другой образовалось безвоздушное пространство. Вероятность же того, что все молекулы находятся во всем объеме сосуда максимальна и равна 1.
Пусть в некоторый момент времени удалось загнать все молекулы в правую часть сосуда, отделенную диафрагмой. Другая половина этого объема осталась пустой. После того, как мы уберем диафрагму, молекулы равномерно заполнят весь объем сосуда, т.е. перейдут из состояния с меньшей вероятностью в состояние с большей вероятностью. Таким образом, мы и здесь можем сказать, что процессы в системе идут только в одном направлении: от некоторой структуры (порядка, когда молекулы содержались в правой части объема сосуда) к полной симметрии (хаосу, беспорядку, когда молекулы могут занимать любые точки пространства сосуда). Последнее состояние можно назвать состоянием равновесия. Все это наводит на мысль, что должна существовать связь между вероятностью и энтропией.
Эту связь установил Больцман, а в 1906 г. Макс Планк написал формулу, выражающую основную мысль Больцмана и связывающую энтропию и вероятность.
Таким образом, в статистической физике энтропия - это мера неупорядоченности системы.
Вероятность как атрибут больших систем
Идея о вероятностном поведении молекул означала новый подход к описанию систем, состоящих из огромного числа частиц (большие системы). Пример с мечеными молекулами в действительности неосуществим, т.к. в принципе невозможно проследить в течение незначительного интервала времени за движением отдельной молекулы. Так же невозможно точно определить координаты и скорости всех молекул макроскопического тела одновременно в данный момент времени.
Задача в этом случае, согласно подходу Максвелла и Больцмана ставится иначе: найти вероятность того, что данная молекула обладает каким-либо определенным значением скорости.
Следует заметить, что до Больцмана Максвелл ввел для описания случайного поведения молекул понятие вероятности, вероятностный (статистический закон) и вывел закон распределения числа молекул газа по скоростям. Поскольку молекулы в газе непрерывно сталкиваются друг с другом и со стенками, некоторые из них будут двигаться очень медленно, а другие - очень быстро. Распределение молекул по скоростям (Аналогичный вид имеет распределение молекул по энергии) несимметричны относительно средних значений скорости (и энергии).
В 1878 г. Больцман, как уже ранее говорилось, применил понятие вероятности ко второму началу термодинамики. В результате ему удалось показать, что второе начало термодинамики является, кроме прочего, следствием статистических законов поведения большой совокупности частиц.
Здесь необходимо отметить существенное противоречие между термодинамикой, возникшей в рамках механической картины мира и собственно классической механикой.
Дело в том, что законы ньютоновской классической механики являются обратимыми. Другими словами, в классической динамической системе всегда можно, варьируя начальные условия, привести систему в определенное "нужное" состояние. Другими словами, интегрирование дифференциальных уравнений движения сводится к вычислению траекторий движения частицы, которые дают полное описание поведения частицы как в прошлом, настоящем, так и в будущем. Достаточно задать начальные условия и уравнения движения тела, чтобы получить полное описание его движения для любого момента времени.
Здесь мы имеем, таким образом, полную обратимость процессов и их детерминированность (предопределенность). Согласно представлениям МКМ, Творец создал мир и привел его в движение. В дальнейшем этот Мир развивался по своим однозначно детерминированным законам. Как уже ранее говорилось, эта идея получила название "лапласовский детерминизм". Крайним выражением лапласовского детерминизма явилась идея мирового дифференциального уравнения Лапласа, которое описывает движение всех тел Вселенной и дает возможность на основе настоящего описать ее прошлое и определить будущее.
С развитием статистической физики и термодинамики на место причинных динамических законов становятся статистические законы, позволяющие предвидеть эволюцию природы не с абсолютной достоверностью, а лишь с большой степенью вероятности.
Различны с точки зрения лапласовского детерминизма и выводы о возможности управления большими системами. Согласно классической физике, отсутствие элементов вероятности, случайности обеспечивает возможность воздействия на систему, управления системой с совершенно однозначными последствиями.
Однако II начало термодинамики указывает на то, что вследствие необратимого и вероятностного характера протекающих процессов в термодинамических системах они не могут быть управляемы до конца. Известно весьма образное описание этого факта, данное И. Пригожиным и И. Стенгерс "необратимое увеличение энтропии описывает приближение системы к состоянию, неодолимо "притягивающему" ее, предпочитаемому ею перед другими, - состоянию, из которого система не выйдет "по доброй воле".
Еще раз следует подчеркнуть, вероятностное, статистическое поведение является атрибутом, т.е. неотъемлемым качеством больших систем.
Важно помнить, что второе начало термодинамики и статистические закономерности утрачивают свою силу для систем с малым количеством объектов.
На это обстоятельство указывал Максвелл, говоря о том, что в системах с малым количеством объектов следствием статистических законов должно стать нарушение второго начала термодинамики.
Понятия вероятности, случайности неотделимы от современного истолкования процессов не только в физических системах, но и, тем более, в системах более сложных, например, биологических. Мы знаем, что важным фактором эволюции является естественный отбор. Однако существуют и другие факторы. Один из них - случайность. Действительно, источниками изменчивости видов служат случайные генные или хромосомные мутации. Особенно важную роль играют случайные процессы в маленьких популяциях.
Стрела времени
Что такое время, знают вроде бы все. Но ни один человек не может дать понятию "время" однозначное словесное определение, не прибегая к формулировкам типа "масляное масло".
Известный философ Августин (354-430 гг. до н.э.) писал: "Я прекрасно знаю, что такое время, пока не думаю об этом. Но стоит задуматься - и вот я уже не знаю, что такое время".
Не правда ли, каждый пытающийся ответить на этот вопрос испытывает сходное затруднение? Когда мы задумываемся о времени, то возникает ощущение, что это неудержимый поток, в который вовлечены все события. Тысячелетний человеческий опыт показал, что поток времени неизменен. Казалось бы, его нельзя ни замедлить, ни ускорить. И уж конечно, его нельзя обратить вспять. Долго понятие времени оставалось лишь интуитивным представлением людей и объектом абстрактных философских рассуждений.
А вот Ричард Фейнман дал в своих лекциях по физике очень простое "определение" времени: "Время - это часы".
Время - форма последовательной смены явлений и состояний материи. Время и пространство - всеобщие атрибуты материи, неотделимые от нее, неразрывно связанные с движением и друг с другом. Вот максимум того, что мы можем сказать о времени, не впадая в тавтологию.
По опыту мы знаем, что время течет только в одном направлении, от прошлого к будущему. Механические процессы и законы Ньютона теоретически обратимы во времени, инвариантны и симметричны относительно его направления. В механике царит Лапласовский детерминизм, позволяющий теоретически на основании современного состояния системы полностью описать в равной степени как ее прошлое, так и будущее.
В термодинамике Лапласовский детерминизм исчезает, и ему на смену приходит вероятностный подход - мы можем описать прошлое и будущее системы только с определенной степенью вероятности, причем эта вероятность сильно различается для прошлого и будущего. Дело в том, что к современному состоянию система могла прийти тысячью разных способов! В термодинамике впервые появляется понятие необратимых процессов, и законы термодинамики несимметричны относительно направления времени. Необратимость появляется из-за двух причин: во-первых, это Второе Начало, постулирующее саму необратимость. Во-вторых, это возможность только вероятностного, статистического подхода к описанию сложных, многоэлементных систем.
Таким образом, законы природы перестают быть симметричны относительно времени, да и само понятие времени приобретает несколько иное значение. Сейчас поэтому принято говорить о "стреле времени".
Почему нельзя обратить время вспять? А если это возможно, то что произойдет в мире, где прошлое и будущее поменяются местами? Обычно гипотетический мир, в котором время течет вспять, сравнивают с кинофильмом, пущенным задом наперед. Ведь кинопроектор с движущейся в нем лентой - это своеобразные часы, обладающие способностью наглядно фиксировать последовательность реальных явлений. Однако это касается далеко не всех событий, например горение свечи, демонстрировавшееся в ускоренном темпе сначала во времени "туда", а затем во времени "обратно". Когда на экране время текло в прямом направлении, в обычном направлении текло и время, измеряемое горящей свечой - ее длина уменьшалась; когда же экранное время обращалось вспять, обращалось вспять и время, отсчитываемое свечой, - она сама собой вырастала из лужицы воска. И все же что-то было не так. Ведь, несмотря на то, что время текло вспять и в кинопроекторе (пленка двигалась в обратном направлении), и на экране (свеча не таяла, а росла), пламя по-прежнему освещало все вокруг! Простое механическое обращение хода времени никак не повлияло на ход времени, направление которого задается процессом превращения энергии из одной формы в другую и определяется законами термодинамики.
Значит, чтобы на экране обратить термодинамическую "стрелу времени", нужно демонстрировать задом наперед не позитив, а негатив фильма! Тогда черное пламя свечи будет, подобно "черной дыре", как бы всасывать в себя электромагнитные волны, испускаемые всеми окружающими телами. Но как эти волны узнают, в каком направлении им надлежит распространяться, да еще строго согласованно друг с другом? Получается так, что обратить термодинамическое время вспять вообще невозможно!
Проблема тепловой смерти Вселенной и флуктуационная гипотеза Больцмана
Дальнейшее развитие принципа необратимости, принципа возрастания энтропии состояло в распространении этого принципа на Вселенную в целом, что и было сделано Клаузиусом. Итак, согласно Второму Началу все физические процессы протекают в направлении передачи тепла от более горячих тел к менее горячим, а это означает, что медленно, но верно идет процесс выравнивания температуры во Вселенной. Следовательно, в будущем ожидается исчезновение температурных различий и превращение всей мировой энергии в тепловую, равномерно распределенную во Вселенной. Вывод Клаузиуса был следующим:
1. Энергия мира постоянна.
2. Энтропия мира стремится к максимуму.
Таким образом, тепловая смерть Вселенной означает полное прекращение всех физических процессов вследствие перехода Вселенной в равновесное состояние с максимальной энтропией.
Современное естествознание отвергает концепцию "тепловой смерти” применительно к Вселенной в целом. Дело в том, что Клаузиус рассматривал Вселенную как замкнутую равновесную или близкую к равновесию систему. Сейчас же ясно, что Вселенная является неравновесной системой, в которой, помимо возрастания энтропии, идут активные обратные процессы самоорганизации.
Флуктуации. Проблему будущего развития Вселенной пытался разрешить Л. Больцман. Он так же считал Вселенную замкнутой равновесной системой, однако применил к ней понятия флуктуации.
Под флуктуацией физической величины понимается отклонение истинного значения величины от ее среднего значения, обусловленное хаотическим тепловым движением частиц системы.
Больцман рассматривал видимую часть Вселенной как небольшую область бесконечной Вселенной. Для такой области допустимы флуктуационные отклонения от равновесия, благодаря чему в целом исчезает необратимая эволюция Вселенной к хаосу и тепловой смерти.
Следует сказать, что Больцман находился под сильным влиянием теории Ч. Дарвина, называя XIX век веком Дарвина. В эволюционной теории роль флуктуаций так же велика. Ведь эволюция - это путь от случайных флуктуаций видов в сторону возрастания сложности, порядка. В то же время в термодинамике, согласно Второму Началу - все наоборот, т.е. необратимость ведет к разрушению порядка. Больцман, таким образом, попытался снять это противоречие, создать теорию эволюции системы к равновесию.
Термодинамика и неравновесные системы
В настоящее время проблема самоорганизации сложных неравновесных систем, к которым принадлежит и Вселенная в целом, рассматривается в рамках нового междисциплинарного направления - синергетики, или динамики неравновесных систем.
Классическая термодинамика, которую Больцман пытался обосновать с помощью классической же механики, описывает только поведение строго изолированных систем, близких к состоянию термодинамического равновесия, отклоняющихся от него лишь в пределах чисто статистических флуктуаций. В таких системах могут происходить только процессы деструктивного характера, сопровождающиеся неуклонным возрастанием энтропии. Однако повсеместно в природе наблюдаются и процессы самоорганизации вещества, самопроизвольного возникновения из хаоса неравновесных, так называемых диссипативных структур. Наиболее яркими примерами подобных процессов могут служить явления самозарождения жизни и биологической эволюции.
Означает ли это, что в некоторых случаях Второе Начало термодинамики может нарушаться? Острая дискуссия на эту тему длилась многие годы и, в конце концов, завершилась победой сторонников строгого соблюдения фундаментальных законов природы. Но при этом был сделан ряд существенных уточнений, касающихся не самих законов, а границ их применимости к реальным системам. Например, ревизии пришлось подвергнуть смысл понятия "хаос".
Хаос, царящий в равновесных системах, носит сугубо статистический характер, и мы говорим лишь о вероятности отклонения системы от состояния равновесия. Реакция такой системы на то или иное возмущающее воздействие линейна - она прямо пропорциональна возмущающей силе и стремится вернуть систему в прежнее состояние. Так, если по гладкой трубе с небольшой скоростью течет жидкость, то в ней случайно возникают малые завихрения, но эти завихрения сами собой гасятся, и в целом поток остается упорядоченным, ламинарным.
Но если система сильно неравновесна, то есть обладает значительным избытком свободной энергии, то в ней может возникать хаос особого рода, называемый динамическим; реакция такой системы на возмущающие воздействия нелинейна и может быть сколь угодно большой при сколь угодно малом первичном возмущении. Так, если скорость движения жидкости по трубе превышает некоторую критическую величину, то малейшая неоднородность потока немедленно приведет к катастрофическому превращению ламинарного потока в неупорядоченный, турбулентный.
Однако, динамический хаос замечателен тем, что за внешне совершенно непредсказуемым поведением системы кроется своего рода детерминизм - все происходящие в ней процессы можно математически рассчитать с любой требуемой точностью. Еще одна особенность такого хаоса заключается в том, что он может служить источником самозарождения строго упорядоченных структур. Например, в турбулентном потоке могут возникать устойчивые вихри - подобные вихри (так называемую "дорожку Кармана") можно наблюдать за быстро плывущей лодкой.
Ревизии пришлось подвергнуть и смысл понятия "система". Когда система в целом находится в состоянии, далеком от истинного термодинамического равновесия, а это относится ко всем реально существующим системам, то в ее отдельных частях могут самопроизвольно происходить процессы самоорганизации, сопровождающиеся понижением энтропии. Если не учитывать того, что подсистемы, в которых из динамического хаоса самозарождаются диссипативные структуры, питаются свободной энергией внешней среды, то возникает видимость нарушения Второго Начала термодинамики. Но все становится на свои места, если принять во внимание то обстоятельство, что процессы самоорганизации, происходящие в локальных областях, сопровождаются неуклонным ростом энтропии всей системы в целом. Так, жизнь на Земле зародилась в сильно неравновесной среде, а возникшие организмы стали жить и эволюционировать, потребляя свободную энергию, поступающую к ним извне, - то есть, в конечном счете, энергию Солнца.
термодинамика неравновесная система энтропия
Литература
1. Конспект лекций по КСЕ. - Сост. Ревская Н.В. - СПб: Альфа. 2008. - 160 с.
2. Концепции современного естествознания. - Под ред.В.Н. Лавриненко.: М. ЮНИТИ, 2008. - 303 с.
3. Концепции современного естествознания.: учебник для вузов под ред.С.И. Самыгина. - Ростов-н-Д.: Феникс, 2008, 2003. - 576 с.
4. Липовко П.О. Практикум по естествознанию - Ростов-на-Дону/ Феникс. 2008. - 320 с.
5. Лось В.А. Основы современного естествознания. Уч. пособие.М., ИНФРА, 2007. - 192 с.
6. Масленникова И.С., Дыбов А.М., Шапошникова Т.А. Концепции современного естествознания. - СПб, СПбГИЭУ. 2008. - 283 с.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Теплота и энтропия. Сложность понимания физического смысла энтропии. Энтропия Вселенной, теория тепловой смерти. Сфера применения законов термодинамики. Энтропия как функция состояния термодинамической системы для описания эволюции реальных систем.
реферат [72,5 K], добавлен 18.11.2009Теория самоорганизации в современном естествознании. Энгельс о гипотезе тепловой смерти Вселенной и превращении форм движения. Второй закон термодинамики - закон деградации энергии. Принцип существования энтропии. Необратимость природных процессов.
реферат [47,7 K], добавлен 02.04.2011Идея тепловой смерти Вселенной. Закон возрастания энтропии. Возможность энтропии во Вселенной. Тепловая смерть Вселенной в научной картине мира. Термодинамический парадокс в релятивистских космологических моделях. Постнеклассическая картина мира.
курсовая работа [101,8 K], добавлен 04.03.2011Происхождение и структурирование Вселенной. Эволюционные процессы в нашей галактике. Формирование Солнечной системы, возникновение Земли. Зарождение и эволюция жизни на Земле. Самоорганизация человеческого общества. Эволюция человеческого общества.
реферат [37,1 K], добавлен 27.12.2016Исследование теории самоорганизации. Основной критерий рaзвития сaмооргaнизующихся систем. Неравновесные процессы и открытые системы. Самоорганизация диссипативных структур. Химическая реакция Белоусова-Жаботинского. Самоорганизация в физических явлениях.
реферат [636,7 K], добавлен 30.09.2010Краткая биография Клаузиуса Рудольфа Юлиуса Эмануэль - немецкого физика, одного из основателей термодинамики и молекулярно-кинетической теории теплоты. Исследование гипотезы "тепловой смерти" Вселенной, сформированной Клаузиусом и ее опровержение.
реферат [25,9 K], добавлен 25.07.2010Дриопитеки как животные предки человека. Представители человеческой линии эволюции - австралопитеки. Эволюция рода человек. Самоорганизация как основа эволюции. Основные условия и положения самоорганизации систем. Две теории о происхождении материков.
контрольная работа [29,6 K], добавлен 10.08.2009Характеристики самоорганизующихся систем. Открытость. Нелинейность. Диссипативность. Системная модель мира. Самоорганизация и эволюция сложных систем, далеких от равновесия. Основы теории самоорганизации систем. Синергетическая картина мира.
реферат [53,9 K], добавлен 18.11.2007Исследование понятия синергетики, нового направления в познании человеком природы, общества и самого себя, смысла своего существования. Анализ синергетической теории управления, принципов нелинейного мышления, синергетических подходов к синтезу систем.
реферат [34,9 K], добавлен 19.12.2012Исследование космических предпосылок возникновения человека. Изучение процесса образования Вселенной. Роль электромагнитных процессов в эволюции органического вещества и биосферы. Развитие человека. Построение научной теории единства человека и природы.
реферат [31,0 K], добавлен 27.12.2016Основные этапы исторического развития и становления естествознания как науки. Примеры современных концепций. Принципы модели устойчивой мировой системы. Современное представление происхождения объектов Вселенной, гипотеза о цикличности ее состояния.
реферат [35,6 K], добавлен 23.01.2011Первичные процессы синтеза нуклонов и образования атомов. Самоорганизация Вселенной. Сущность естественно-научной концепции развития. Эволюция Вселенной. Современный этап в развитии космологии. Исследование проблемы начала космологического расширения.
реферат [42,0 K], добавлен 30.06.2014Четыре основные системы регуляции метаболизма. Организация нервно-гормональной регуляции. Эндокринная система организма человека. Поджелудочная железа человека, ее анатомия, топография, макроскопическое и микроскопическое строение. Инсулин и глюкагон.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 23.02.2014Ритмичность всех процессов живых организмов и надорганизменнных систем, подчинение периодическим ритмам, отражающим реакции биосистем на ритмы природы и всей Вселенной. Синхронизация биохимических процессов в организме, классификация и природа биоритмов.
реферат [138,6 K], добавлен 23.05.2010Современная космологическая картина мира и модели Вселенной. теории начет ее возникновения и развития, результаты соответствующих исследований и экспериментов. Проблема существования и поиска жизни во Вселенной, методы и направления ее разрешения.
контрольная работа [20,4 K], добавлен 11.02.2011Сущность космологической модели Птолемея. Механика как универсальная физическая теория. Основы и постулаты специальной теории относительности. Основные проявления и особенности гравитационного взаимодействия материальных объектов и систем в природе.
доклад [136,5 K], добавлен 16.09.2010Современное понятие "открытая система". Проблема анализа целостных свойств открытых систем в зависимости от времени. Общность процессов типа 1/f (процессов типа фликкер-шума) для всех систем. Старое и новое математическое описание процессов типа 1/f.
курсовая работа [344,8 K], добавлен 23.11.2011Классификация методов научного познания. Картина мира мыслителей древности, гелиоцентрическая, механистическая, электромагнитная. Понятие о симметрии, взаимодействии и энтропии. Основные теории возникновения жизни и ее эволюции. Происхождение Вселенной.
шпаргалка [83,2 K], добавлен 19.01.2011Принципы осмысления действительности. Принципы нелинейной термодинамики неравновесных процессов в синергетике. Синергетика как научная теория о самоорганизации в природе и обществе как открытых системах. Катастрофы и бифуркации синергетической системы.
реферат [32,4 K], добавлен 24.06.2010Синергетика как новое направление междисциплинарных исследований и новое миропонимание. Основные этапы развития синергетики: термины, понятия и категориальный аппарат, уровни самоорганизации материи, концепция развития. Диалектика эволюции живой природы.
курсовая работа [42,6 K], добавлен 09.06.2010
