Энергия, энтропия и среда обитания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Департамент научно-технологической политики и образования

Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего образования

Красноярский государственный аграрный университет

Реферат

Тема: Энергия, энтропия и среда обитания

Красноярск 2015

Содержание

Введение

1. Энергия

2. Энтропия

3 Виды энтропии

4. Примеры энтропии

5.Жизнь как термодинамический процесс

6. Свойства термодинамически равновесных и стационарных систем

7. Энтропия и защита окружающей среды

Заключение

Список литературы

Введение

Энергия - скалярная физическая величина, являющаяся общей мерой различных форм движения материи. Иными словами, энергия - это просто число, рассчитываемое по определенным правилам.

Среди термодинамических функций, характеризующих энергетическое состояние биологического объекта, исключительно важное место принадлежит энтропии. Понятие энтропии было введено в 1865 году Рудольфом Клаузиусом, и с тех пор эта функция привлекает внимание физиков и физикохимиков. Ведь живой организм - это прежде всего энергетическая система, где действуют те же законы термодинамики, что и в неживой природе. Следует, однако, учесть, что живые организмы характеризуются некоторыми особенностями, которые отсутствуют у физических объектов. Это, как известно, размножение, развитие и т.д. Поэтому энергетический обмен таких систем обладает качественным своеобразием и требует специального анализа.

Современные процессы, связанные с увеличением интенсивности воздействия человека на природную среду, рост многообразия форм ее преобразования не только ставят на повестку дня исследование необходимых гармоничных связей внутри системы "общество - природа", но выдвигают как наиболее актуальную проблему сохранения естественного мира. Неоправданный, излишний оптимизм, с которым не только практики, но и теоретики подходят к формированию среды обитания человека без учета всей ее сложности, приводит к неизвестным ранее коренным изменениям природы, отрицательно сказывающимся как на ее ценности вообще, так и на эстетических значениях.

энергия энтропия термодинамический антропогенный

1. Энергия

Энергией называется единая мера различных форм движения. Мы так часто пользуемся этим термином в своей повседневной жизни, что не задумываемся о том центральном месте, которое занимает это понятие в структуре современного естествознания, являясь, по существу, фундаментом всего здания современной физики.

Энергия проявляется во множестве различных форм. Собственно, само понятие энергии было выработано именно в поисках связей между различными формами движения материи. Переход энергии из одной формы в другую означает, что энергия в данной ее форме исчезает, превращается в энергию в иной форме. И вот тут самое главное, что определяет энергию как фундаментальное понятие естествознания. Оказывается, что при любых процессах, происходящих в изолированной системе, полная энергия системы не изменяется, то есть переход энергии из одной формы в другую происходит с соблюдением количественной эквивалентности. Для количественной характеристики различных форм движения вводятся соответствующие им виды энергии: механическая, внутренняя (тепловая), электромагнитная, химическая, ядерная и т. д. Закон сохранения энергии - закон, управляющий всеми явлениями природы, исключений из него науке неизвестно. Характерно, что само формирование понятия энергии есть вместе с тем история открытия закона сохранения и превращения энергии.

Термин «энергия» в смысле динамической переменной появился лишь в работе Юнга «Курс лекций по натуральной философии». Юнг ввел понятие энергии для обозначения «живой силы», не выводя это понятие за рамки механистического описания явлений природы. Открыты и исследованы связи между: механическим движением и теплотой; химическими явлениями и электричеством; механическим движением и электричеством; электричеством и магнетизмом; химическими явлениями и теплотой; теплотой и электричеством и т. д.

2. Энтропия

В словаре иностранных слов встречается следующее определение энтропии: энтропия [древнегреческое en в, внутрь +trope поворот, превращение] - 1) в физике - одна из величин, характеризующих тепловое состояние тела или системы тел; мера внутренней неупорядоченности системы; при всех процессах, происходящих в замкнутой системе, энтропия или возрастает (необратимые процессы) или остается постоянной (обратимые процессы); 2) в теории информации - мера неопределенности ситуации (случайной величины) с конечным или четным числом исходов, например, опыт, до проведения которого результат в точности неизвестен.

Понятие энтропии впервые было введено в науку Клаузиусом в 1865 г. как логическое развитие термодинамики Карно.

Но я характеризую это понятие как мера хаоса. По моему мнению, это самое оптимальная тема на данный момент потому, что она полностью связана с жизнью. Энтропия находится во всем. В природе, в человеке, в различных науках. Даже зарождение человека в утробе матери начинается с хаоса. Энтропию также можно связать с образованием планеты, так как до появления Бога на Земле все природные явления и все, что было на планете, находилось в высокой степени энтропии. Но по истечению семи дней, планета приобрела упорядоченный вид, то есть все встало на свои места.

3. Виды энтропии

Сегодня в литературе встречается, по меньшей мере, четыре формы энтропии:

Во-первых, энтропия как мера неопределенности состояния любой вполне упорядоченной физической системы, или поведения любой системы, включая, живые и неживые объекты и их функции. Именно эта форма энтропии, связанная с неопределенностью состояния системы, находит в последнее время наибольшее распространение при исследовании, как живых, так и неживых объектов и процессов.

Во-вторых, термодинамическая энтропия микрочастиц, или молекулярного (микроскопического) множества.

В-третьих, информационная энтропия, или неопределенность информации, т.е. сведений о некоторой информационной системе. Известно, что совпадение по виду формул для энтропии и информации послужило основанием для утверждения, что энтропия есть недостающая информация о состоянии системы.

Было предложено использовать термин негэнтропия как тождественной связанной информации о состоянии системы. Негэнтропия не является отрицательной энтропией, или антиэнтропией, как иногда ошибочно считают некоторые ученые.

Разница масштабов энтропии и информации связана с их принципиальным различием, а именно: энтропия - это мера множества тех состояний системы, о пребывании в которых система должна забыть, а информация - это мера множества тех состояний, о пребывании в которых система должна помнить.

В-четвертых, энтропия, или неопределенность поведения, любой не вполне упорядоченной системы вплоть до макроскопических множеств.

4. Примеры энтропии

Самый простой пример, который касается всех нас. Это создание мира Богом. Как говорится в библии, Мир был как бездна, безводна, пуста и темна. Все в этом мире находилось в хаосе, то есть в увеличенной энтропии. В первый день своих деяний, Бог, как это нам уже известно, отделил свет от тьмы. И стал день, и стала ночь, и появились утро и вечер. Мера хаоса стала уменьшаться. На второй, разделил бездну на небо и землю. Все постепенно начало приходить на свои места. На третий день Бог отделил сушу от вод. И назвал он сушу землей, а собрание вод - морями, океанами, озерами и реками. И сказал Бог, чтобы из земли произрастали трава, деревья плодородные, в которых семя его на земле. И стало так. На четвертый Бог отделил дневное светило от ночного. И появились на небе луна и солнце. На пятый день появились рыбы и птицы. На шестой животные, земные гады и человек. По истечению семи дней энтропия перешла в 0. То энтропия из наибольшего состояния перешла в наименьшее.

И еще одним наглядным примером можно рассмотреть питание человека. В каждом уголке страны люди различаются между собой национальностью, местом проживания и, конечно же, питанием. Если посмотреть средний уровень жизни людей в горах и на загрязненных улицах США, где всегда столпотворение людей и человеку нечем дышать, как только газами, то можно увидеть существенные отличия. Если в горах человек пьет чистую горную

воду, в США воду, в которой достаточно бактерий, которые могут с лихвой заразить или даже убить человека, ну а в лучшем случае, неблагоприятно отразиться на здоровье человека. Также, если поставить рядом человека с гор и человека с США, то естественно найдутся очевидные отличия во внешности этих людей. Человек с гор намного моложе будет выглядеть и красивее.

Этот пример, также был показа известным ученым на крысах. Одни из которых, пили чистую ключевую воду, а другие пили алкоголь. И те, которые пили алкоголь, через некоторое время появились проблемы со здоровье. А те, которые пили чистую ключевую воду, были бодры, веселы, игривы и они никогда не подходили к алкоголю.

Еще один пример, связанный с энтропией уже из физики. Всем известно, что в жидкости частицы двигаются в хаотическом порядке, то есть точка энтропии на пределе. По мере того, как жидкое тело начинает замерзать, энтропия становится все меньше и меньше. Так как частицы начинают двигаться медленнее, и когда жидкость замерзает, энтропия равняется 0.

5. Жизнь как термодинамический процесс

Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является непрерывный обмен веществ с окружающей средой.

Белковое тело - это организованная макромолекулярная совокупность ряда специфических веществ: нуклеиновых кислот, аминокислот, соединение азота и фосфора. Рассмотрим простейшую физическую систему, состоящую из нагретого тела т окружающей среды.

Градиент - это вектор, направленный из точки с минимальным значением параметра в точку с максимальным значением параметра.

В связи с тем, что в рассматриваемой системе существует градиент температур, то согласно второму закону термодинамики эта система будет стремиться к состоянию теплового равновесия, т.е. к такому состоянию, когда Т_ТЕЛА =Т_{ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ} , т.е. вся энергия тела будет рассеяна в виде тепла и при наступившем термодинамическом равновесии любые энергетические процессы станут невозможны. Система, находящаяся в состоянии термодинамического равновесия имеет максимальную энтропию, так, обратно второму закону термодинамики можно сформулировать следующее обращение: любая система стремится к расстоянию с максимальной энтропией. Считается, что чем больше энтропия, тем больше хаос в системе. Непрерывный поток солнечной энергии воспринимается молекулами афтотрофных живых организмов и преобразуется в энергию химических связей, т.е. живые организмы вносят в систему структуру, порядок, и в связи с этим, в отличие от всех других физических и химических систем с живыми организмами, могут двигаться против градиента энтропии, т.е. в сторону уменьшения энтропии. Говорят, что живые организмы вырабатывают отрицательную энтропию или негтропию. Энергию для этого они естественно получают от солнца.

6. Свойства термодинамически равновесных и стационарных систем

Состояние термодинамического равновесия

1. Отсутствие обмена с окружающей средой, веществом и энергией

2. Полное отсутствие в системе каких-либо градиентов

3. Энтропия системы постоянна и соответствует максимальному в данных условиях значению

4. Изменение энергии Гиббса равно нулю

5. Система нереакционноспособная и не совершает работу против внешних воздействий. Скорости процессов, протекающих в противоположных направлениях равны

Стационарное состояние

1. Непрерывный обмен с внешней средой, веществом и энергией

2. Наличие постоянных по величине градиентов

3. Энтропия системы постоянна, но не соответствует максимальному в данных условиях значению

4. Для поддержания стационарного состояния необходимы постоянные затраты энергии Гиббса

5. Реакционноспособность (работоспособность) системы постоянна и не равна нулю. Скорость процесса в одном из направлений больше, чем в другом.

Зависимость между изменениями свободной энергии и изменениями энтропии в системе и окружающей среде в условиях постоянства температуры и давления показана. Если система (в том числе живой организм) претерпевает какие-либо превращения, ведущие к установлению равновесия, то общая энергия системы и окружающей среды остаётся постоянной, а общая энергия самой системы может либо уменьшаться, либо оставаться неизменной, либо увеличиваться. В ходе этих превращений система либо отдаёт тепло внешней среде, либо поглощает извне. Общая энтропия системы и окружающей среды будет увеличиваться до тех пор, пока не будет, достигнут максимум, соответствующий состоянию равновесия. Стремление энтропии к максимуму является истинной движущей силой любых процессов. Однако это не означает, что все процессы, ведущие к установлению равновесия должны сопровождаться увеличением энтропии самой системы. Энтропия самой системы может увеличиваться, уменьшаться или оставаться неизменной. Если энтропия системы уменьшается, то, согласно второму закону термодинамики, энтропия окружающей среды должна увеличиваться таким образом, чтобы общая энтропия системы и окружающей среды увеличивалась. Именно это и происходит, когда растёт живой организм: энтропия организма (как системы) уменьшается, а энтропия окружающей среды увеличивается.

7. Энтропия и защита окружающей среды

В процессе жизнедеятельности социум вырабатывает энтропию, которая имеет различные материальные формы. Это и бытовые отходы, и отработавшие свой срок технологические установки, продукты сгорания углеводородного топлива, отходы различных механизмов и производств, разрушенные при добыче сырья нативные экосистемы и многое другое. Для утилизации энтропии также необходимы ресурсы, например, свободное пространство, либо высокоэнергетические соединения, способные разрушить поллютанты и нейтрализовать негативные изменения экосистем. Перенаселённость Земли лишает человека таких ресурсов пространства и энергии, в итоге отходы функционирования социума остаются активными и находятся зачастую вблизи местообитаний человека. Огромное число поллютантов непосредственно диффундируют в человеческие местообитания и нативные экосистемы (например, при аэрозольном переносе).

Как правило, разумная деятельность человека вызывающая техногенез направлена на достижение позитивных целей (например, лесомелиорации на болоте). Но любое действие порождает, согласно второму началу термодинамики, диссипацию энергии. Образующаяся таким образом неупорядоченная энергия есть энтропия, которая поглощается системами, сопряженными с преобразуемой в положительную сторону системой. В системах поглощающих энтропию развивается негативный техногенез.

Важной задачей человечества, в условиях нехватки ресурсов (в том числе и пригодных местообитаний в ряде регионов планеты) является контроль распространения энтропии, выявление участков с её преимущественным накоплением, что может повлечь ухудшение состояния человеческого общества, отдельных индивидов. Локализация таких участков поможет и помогает принимать меры по защите природы и населения от опасных продуктов жизнедеятельности человеческих и техногенных систем.

В настоящее время по всему миру налажена система экологического мониторинга, преследующая цель сбора информации об изменениях в биосфере и отдельных её компонентах. По Трофимовой В. Л. (2002) экологический мониторинг - это система регулярных длительных наблюдений в пространстве и времени, дающая информацию о состоянии окружающей среды с целью оценки прошлого, настоящего и прогноза в будущем параметров окружающей среды, имеющих значение для человека.

Наиболее быструю реакцию проявляют при воздействии на экосистемы живые организмы, их используют в мониторинге как биологические индикаторы. Важным является не только быстрота ответных изменений, но и то, что они реагируют на весь комплекс загрязнений, это делает более информативными, по сравнению с прямой оценкой загрязнений приборами (Бурдин К. С., 1985).

В последние десятилетия человек стал причиной быстрой деградации почв, хотя потери почв имели место на протяжении всей человеческой истории. Насчитывают не менее 6 типов антропогенно-технических воздействий, которые могут вызвать разного уровня ухудшение почв:

- водная и ветровая эрозия;

- засоление, подщелачивание, подкисление;

- заболачивание;

- физическая деградация, включая уплотнение и коркообразование;

- разрушение и отчуждение почвы при строительстве, добыче полезных ископаемых;

- химическое загрязнение почв

Заключение

Энергия - единая мера различных форм движенья материи.

Всеми явлениями природы управляет закон сохранения и превращения энергии: энергия в природе не возникает из ничего к не исчезает; количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую. Клаузиус вел понятие энтропии - функция состояния термодинамической системы, изменение которой в равновесном процессе равно отношению количества теплоты, сообщенного системе или отведенного от нее, к термодинамической температуре системы. Неравновесные процессы в изолированной системе сопровождаются ростом энтропии, они приближают систему к состоянию равновесия, в котором максимальна.

Клаузиус распространил принцип возрастания энтропии замкнутой системы на всю Вселенную и пришёл к мысли, что энтропия будет нарастать и через какое то время достигнет максимума, тогда вселенная придёт в тепловое равновесие и наступит тепловая смерть - все процессы остановятся.

Больцам в связи с этим высказал флуктуационную гипотезу: возможны гигантские флуктуации - отклонения от термодинамического равновесия вселенной и тогда начинаются все процессы, затем вселенная снова приходит к равновесию, и процессы прекращаются. Рано или поздно равновесие вновь нарушается и так без конца. Развитие космологии на основе общей теории относительности показало, что вселенная может быть замкнутой.

Система «живой организм плюс среда» с точки зрения второго закона термодинамики: энтропия этой системы возрастает и никогда не уменьшается. Это означает, что живая система создает внутри себя упорядоченность за счет того, что она уменьшает упорядоченность в окружающей среде. С позиций термодинамики можно утверждать, что живым системам присущи процессы, уменьшающие энтропию систем и, следовательно, поддерживающие их организованность.

Одним из главных источников неотразимой привлекательности современной науки это ощущение, что она открывает вечные законы, таившиеся в глубине нескончаемых преобразований природы, и тем навсегда изгнала время и становление. Открытие порядка в природе рождает чувство интеллектуальной уверенности.

Список литературы

1. Дубнищева Т.Я.. Концепции современного естествознания. Новосибирск: Изд-во ЮКЭА, 1997.

2. Дягилев Ф.М. Концепции современного естествознания. - М.: Изд. ИМПЭ, 1998.

3. Карпенков С.Х. Концепция современного естествознания: Учебник для вузов. - М.: ЮНИТИ, 2000.

4. «Концепции современного естествознания». Лекции для студентов заочного отделения УГАТУ. Уфа, 2005.

5. Концепции современного естествознания/под ред. проф. С.А. Самыгина, 2-е изд. - Ростов н/Д: «Феникс», 1999.

6. http://writer5.ru/warm/Eqologiia/171111.htm

7. http://www.referats.pro/kse/47976-jentropija.html

8. http://lektsii.net/2-75823.html

9. http://www.bestreferat.ru/referat-11430.html

Размещено на Allbest.ru