Энтропия и опасности техносферы

энтропия

Рис. 7. Схема состояния системы при различных значениях энтропии

Состояния A, B, C и D (рис. 7) обладают одинаковыми энергиями, но различными значениями энтропии. Переходы из состояния А в состояния В или С могут происходить самопроизвольно, поскольку каждый из них сопряжен с увеличением энтропии.

Переход из состояния А в состояние D не происходит сам по себе, поскольку для этого необходимо понизить состояние энтропии системы, которая всегда стремится вверх по оси энтропии, а все естественные процессы внутри системы сопровождаются возрастанием энтропии системы.

Данные определяющие значения энтропии являются основным принципом энтропии.

Изменение энтропии системы происходит в следующих случаях:

изменяется по возрастающей - при ее нагревании (возрастании ее тепловых (температурных) показателей);

остается неизменной при совершении над ней работы;

уменьшается при охлаждении (остывании) системы.

При этом возрастание энтропии идет быстрее, если температура системы низкая (16):

изменение энтропии=сообщенная теплота/температура

Если энергия сообщается системе посредством нагревания, то сообщенная теплота положительна, и изменение энтропии тоже положительно (энтропия возрастает). Возрастание энтропии системы является характерным признаком естественных процессов и соответствует запасанию энергии при все более низких температурах, естественное направление процессов изменения характеризуется понижением качества энергии. Таковы все происходящие в природе естественные процессы.

Сжигая ископаемое топливо, человечество не уменьшает общих запасов энергии, находящейся в природе, происходит лишь понижение ее качества, при общем неизменном ее количестве. Но сжигая топливо, человечество увеличивает энтропию мира, поскольку все процессы по обмену теплом при этом протекают самопроизвольно, и любая работа, производимая в результате антропогенной деятельности в техносфере, приводит к понижению качества энергии окружающего мира, Земли и Вселенной в целом.

Поскольку в окружающем нас мире выполнение работы невозможно без энтропии, достижение предела возможного понижения температуры до абсолютного нуля (-273°С или 0°К Кельвина) нереально, а эффективность преобразования теплоты в работу (КПД) не может превысить единицу, что привело бы к неограниченному росту энтропии (1/0=?).

По современным научным данным, материя нашей Вселенной состоит лишь из 10% всей существующей материи, рамки лучевого излучения тоже ограничены, при этом высокие температуры ограничиваются температурами Солнца и других звезд Вселенной (9).

Границы существующего мира сужаются, и пока неизвестно, что лежит за гранью абсолютного нуля температур, границами сверхвысоких температур и скорости света, в пределах 90% невидимой и непознанной материи: отрицательные энергии, сверхсветовые скорости или что-то более непознаваемое в виде новых Вселенных и миров.

3.2 Порядок и хаос в системе

Существуют два вида движения частиц (объектов) в сложных системах (16):

движение когерентное (упорядоченное), когда все объекты в системе движутся (реагируют на воздействие) согласованно;

движение неупорядоченное (неуправляемое), когда все объекты в системе движутся хаотически (реагируют на воздействие несогласованно).

Чтобы совершить движение (взаимодействие отдельных частиц) объектов внутри системы, нужно совершить какую-то работу (воздействовать на систему).



Рис. 8. Перенос энергии в системе при совершенной над ней работой

Совершая над системой работу, на нее оказывается воздействие извне, из окружающей среды, и это внешнее воздействие из окружающей систему среды вынуждает двигаться частицы (объекты) системы упорядоченно (рис. 8), а если система совершает работу над окружающей средой, она так же вызывает в ней упорядоченное движение. При нагревании системы ее частицы (объекты системы) начинают двигаться неупорядоченно, а когда теплота переходит от объекта к системе, в ней возникает неупорядоченное движение (рис. 9). Через какой-то отрезок времени неупорядоченность движения внутри системы приводит к тому, что внутри системы происходит равномерное распределение состояния возбуждения объектов (частиц), энергия (теплота), переданная системе, рассеивается равномерно внутри ее, и система стабилизируется, становится конечной (стационарной) (рис. 10).

Рис. 9. Воздействие на систему теплотой



Рис. 10. Переход неупорядоченности внутри системы в стационарное (стабильное) состояние

Энергия, поступившая в систему, стремится рассеяться, распределяясь внутри системы, аналогично, поступившая из системы в окружающую среду, энергия рассеивается внутри среды. Данный процесс сопровождает любое естественное изменение. Рассеяние энергии следует понимать не только как ее пространственное рассеяние по объектам (частицам) системы, но и как разрушение упорядоченности объектов внутри системы. При этом энергия всегда стремиться к рассеянию, что соответствует второму началу термодинамики, а ее рассеяние всегда направленное.

Процесс взаимного перехода теплоты и работы естествен и в основе своей предполагает их различие свойств: работа предполагает упорядоченное движение, а теплота - неупорядоченное. В зависимости от того, как они взаимодействуют (порядок, последовательность и сила воздействия), зависит и взаимный переход из неупорядоченного движения в упорядоченное, и наоборот (14).

Рассеяние энергии (ее диссипация) сопровождается естественными процессами, и запасы энергии системы приводят к хаосу внутри ее. Естественный ход процессов в мире соответствует понижению качества энергии, а мерой беспорядка, хаоса является энтропия, потому что любые самопроизвольные изменения сопровождаются возрастанием энтропии. Отражением же отсутствия хаоса является высокое качество энергии.

Если определить энтропию системы как функцию S, характеризующую любые самопроизвольные изменения системы, а хаос охарактеризовать величиной W, как мерой рассеяния энергии в системе (Вселенной как высшей системе), то взаимосвязь энтропии и хаоса, как крайнего ее выражения, можно выразить формулой (соотношением Больцмана) (16):

S = k·logW, (1)

где:

k - фундаментальная мировая постоянная Больцмана.

Данное выражение отражает основу механизма изменения на микроскопическом уровне, связь макро- (S) и микромира (W), раскрывающего «скрытый» механизм происходящих изменений в системе.

В своей формуле Больцман опирался на теорию вероятностей, которая оперирует с количественной мерой случайных величин, применительно к тепловому движению.

В любом первоначальном состоянии системы (рис 11), до воздействия на нее, независимо от того, находится система во внутреннем возбуждении (система 1) или в спокойном состоянии (система 2), величина W = 1, а так как log W = lg 1 = 0, то и энтропия тоже нулевая, а энергия обладает идеальным качеством.

Но как только системы начинают взаимодействовать между собой (обмениваться энергией, теплотой), возбуждение системы 1 передается в систему 2, а невозбужденная система 2 в результате воздействия начинает «гасить» возбуждение частиц (объектов) системы 1. Величина W примет значение числа различных способов выбора одного невозбужденного объекта (частицы) системы 1 (16).



Рис. 11. Состояние систем 1 и 2, когда частицы (объекты) системы 1 находятся в возбужденном состоянии, а частицы системы 2 - в невозбужденном.

Если принять возбуждение частиц (объектов) системы 1 за 100% в абсолютных единицах (100), то невозбужденная частица х (рис. 12) лишится одного из 100 способов возбуждения, и тогда величина W = 100.

Так как неизвестно, какая частица системы 1 прекратит возбуждение, то log x примет значение ln x с основанием e (иррациональным числом, равным 2,78...), а ln 100 = 4,61.

При k=1 энтропия будет равна 4,61 (энтропия системы 1 возросла), появилась хаотичность с неопределенной частицей х, потерявшей возбуждение (рис. 12).

Рис. 12. Взаимодействие систем 1 и 2 с потерей возбуждения одного из объектов (частиц) системы 1 и получением возбуждения одной из частиц системы 2.

Адекватным образом возбуждение частицы х из системы 1 передастся неизвестной частице (объекту) в системе 2 (на рис. 12), и процесс, обладающий однонаправленностью, продолжится на другие частицы в системах 1 и 2.

Полное число перемещений возбуждения из системы 1 составит 100х99 = 9900, но данное число перемещений в силу случайности процесса в системе 1 составит 4950, отсюда: W = 4950.

В результате возбуждения объекта (частицы) энтропия S системы 1 возросла до величины ln 4950 = 8,51. В системе 2 количество возможностей выбора составит число j.

Примем значение j равным (Эткинс П., 1987) (16) 1500, тогда ln 1500 = 7.31, но так как одна из частиц у в системе 2 возбуждена, то полное число различных расположений частицы у будет равно половине значения 1500х1490, или 1 124 250, отсюда ln 1 124 250 = 13,93 (энтропия системы 2).

Так как условно принимаем размер системы 2 больше размеров системы 1 (как нагреватель - источник теплоты, система 1 расположена внутри системы 2), то энтропия системы 2 больше энтропии системы 1 в 2 раза, и одно возбужденное состояние в системе 2 может быть распределено по большему числу положений, чем в системе 1.

Число размещений может возрастать более и более, но, в соответствии с формулой Больцмана, рост энтропии растет в логарифмической последовательности, и даже при числе Авогардо, превышающем 10²³, натуральный логарифм (энтропия) его составит 54,7 (рис. 13).



Рис. 13. Зависимость энтропии систем 1 и 2 от числа возбужденных состояний, перемещенных из системы 1 в систему 2 (при одинаковой температуре обеих систем)

Такой рост энтропии объясним не только математически. Энтропия систем 1 и 2 в начале их взаимодействия возрастает, но по мере роста перемещений возбуждение-невозбуждение всех частиц системы 1 достигает предела и доходит до 50%, ее энтропия начинает падать, и в системе 1 примет значение, равное 0, то есть система 1 ввиду ограниченности размера по сравнению с системой 2 придет в исходное состояние (см. график на рис. 13).

В системе 2 с получением энергии (тепла) от системы 1 энтропия системы 2 возрастает быстрее, но энергии (тепла) системы 1 недостаточно для того, чтобы привести 50% частиц системы 2 в возбужденное состояние (число возбуждений равняется числу возбуждений частиц системы 1), поэтому энтропия системы только повышается до определенного значения (приблизительно в 2 раза выше максимальной энтропии системы 1) (рис. 13).

Естественное направление потока энергии из системы 1 в систему 2 совпадает с направлением движения теплового потока (ингредиента температуры) (16):

температура = А / ln (число невозбужденных частиц /число возбужденных частиц)

Энтропия системы 2 при этом будет равной значению В на графике (рис. 14), но при установлении стабильного положения в обеих системах (равномерном распределении энергии по всем системам) энтропия системы 1 станет нулевой, а энтропия системы 2 при максимальном возрастании в ней температуры от нагревателя (системы 1) и выравнивании температуры с нагревателем снизится (точка А на графике рисунка) до определенного уровня, адекватного приложенной к ней теплоты.

Рис. 14. График изменения величины энтропии в системе 2.

Аналогичным образом охлаждение системы 1 до теплового равновесия соответствует возрастанию ее энтропии от максимального значения до падения к нулю.

Наступает термическое равновесие двух систем, равное усредненному состоянию систем, при этом, чем больше способов достижения данного состояния, тем выше вероятность его достижения (10).

Отсюда следует, что тепловое равновесие соответствует наиболее вероятному состоянию систем, при этом, чем больше размеры системы, тем больший промежуток времени требуется для установления термического равновесия. Так, для нашей Вселенной этот временной промежуток с момента зарождения ее (первичного взрыва) составляет приблизительно три десятка миллиардов лет, после чего, вероятно, Вселенная перестанет сущесвовать.

Однонаправленность естественных процессов предопределяет все явления, происходящие в окружающем мире. Рассеяние (деградация) энергии происходит с начала зарождения Вселенной, носит случайный характер, как путем перемещения носителей энергии, так и путем ее перехода от одного носителя к другому.

Универсальное свойство этих явлений происходит неравномерно, то испытывая подъемы созидания, то разрушения, при этом после каждого периода созидания разрушительный этап обладает еще большей разрушительной силой.

Природа избрала сложный путь движения к хаосу за счет накопления энтропии и снижения качества энергии на каждом этапе однонаправленного движения, при этом сам хаос обладает созидательной способностью преобразования систем в новые структуры, с возрастанием степени хаоса в целом во Вселенной.

3.3 Созидающая сила хаоса

Какие бы процессы не происходили между объектами внутри системы или между взаимодействующими системами, наряду с однонаправленностью происходящих процессов (физических, химических или других), происходит и другой процесс - в результате взаимодействия объектов или систем конечное содержание энергии объектов (систем) уменьшается, наряду с ухудшением их качества, а разница между начальными и конечными значениями энергии объектов поступает в систему (при неизменном количестве энергии внутри системы), а после взаимодействия систем часть энергии безвозвратно теряется в окружающую среду в виде выделившейся теплоты за счет снижения количества энергии внутри систем (11).

Следовательно, окружающая среда приобретает новое качество за счет поступившей от систем энергии в результате их взаимодействия и изменения их количественных (энергетических) и качественных (перераспределения энергии между объектами внутри систем и изменения качества самих объектов) показателей (рис. 15).

Изменяется количество энергии, запасенного внутри систем и объектов систем, объекты в результате изменений не только менее рассеяны внутри систем, чем при исходном положении, но и содержат меньшие количества энергии. Полная энтропия взаимодействующих систем в результате тоже понижается за счет большей упорядоченности положения объектов внутри системы (см. рис. 15).

Происходит уменьшение энтропии систем, при этом значительно меньше, чем увеличение энтропии в окружающей среде, так как высвобождение значительной энергии осуществляется в окружающую среду, в которой, в свою очередь, создается высокая степень неупорядоченности.

Так, при реакции железа с кислородом воздуха происходит окислительный процесс, железо ржавеет, внутренняя нестабильность железа переходит в стабильное положение ржавчины, что сопровождается увеличением неупорядоченности в окружающей среде.

Рис. 15. Процесс передачи энтропии в окружающую среду при взаимодействии систем

Получается стабильный, обладающий более выраженной структурой, объект, с низкой энтропией, из менее структурно-организованного, обладающего большей энтропией исходного объекта, с передачей излишней энтропии в окружающую среду.

Следовательно, объекты и система в целом «охлаждаются», отдавая часть «теплоты» в окружающую среду (рис. 15).

Таким же образом снижается энтропия объектов внутри системы при повышении энтропии системы в целом.

При взаимодействии объектов внутри системы, когда энергия для реакции поступает из окружающей среды, в результате реакции (взаимодействия) происходит распад объектов, а при поступлении большего количества энергии извне (из окружающей среды), то и система в целом распадается (рис 16).



Рис. 16. Распад объектов внутри системы при воздействии извне (из окружающей среды)

Для того, чтобы возбудить систему (вывести ее из равновесного состояния), необходима дополнительная внешняя энергия. В результате нарушается связь частиц, составляющих объекты, и связь объектов внутри системы, при этом отсутствует компенсирующее уменьшение энергии. Энергия объектов остается неизменной, но в данном случае происходит рассеивание энергии внутри системы за счет нарушения связей между объектами внутри системы.

В данном случае происходит понижение качества при стабильном количестве энергии внутри системы. Дополнительно поступившая извне энергия ушла на разрушение этих связей внутри системы, и качество энергии системы в целом ухудшилось за счет потери внутренней стабильности и структуры между объектами. Часть энергии поглотилась системой на ее дестабилизацию, а энергия системы стала более рассеянной внутри системы, и внутри системы возник хаос за счет нестабильного (хаотического) положения объектов внутри системы и их суммарной энергии (11).

Энтропия окружающей среды при этом уменьшается, количество рассеянной в ней энергии уходит на разрыв связей объектов внутри системы, тогда как внутри объектов и системы в целом энтропия возрастает (рис. 17).

Рис. 17. Кривые изменений величин энтропии системы и окружающей среды в процессе воздействия на систему извне

Внутри системы начинается процесс перемешивания объектов, при этом характер их перемешивания носит произвольный (хаотический) характер. Происходит реакция диссоциации, где величина вклада в энтропию системы зависит от количества перемешивающихся внутри ее объектов.

Полное изменение энтропии в результате этого процесса складывается из четырех составляющих изменений:

самих объектов системы;

параметров системы;

окружающей систему среды («размытие» энергии);

за счет смещений на промежуточных стадиях процесса.

В начале процесса полная энтропия взаимодействующих составляющих остается неизменной, все более возрастая при перераспределении объектов внутри системы под воздействием энергии извне, и возвращается к исходному суммарному значению при завершении процесса по перемешиванию объектов (частиц) системы.

В зависимости от поступившей в систему энергии процесс внутри ее по перемешиванию объектов прекращается при полном израсходовании поступившей энергии на перемешивание объектов. Хаотичность системы прекращается по завершению процесса внутри ее и приобретения системой новых свойств за счет перераспределения объектов внутри системы. Система приходит в динамическое равновесие. Это высокоэнтропийное состояние объекты-система-окружающая среда может продолжаться как можно долго до нового взаимодействия системы и окружающей среды.

Следовательно, хаос порождается:

при утечке энергии из системы в окружающую среду (экзотермический процесс) (рис. 15);

при воздействии на систему извне («затекании» энергии в систему) (эндотермический процесс) (рис. 16).

Во втором случае неупорядоченность в окружающей среде понижается, а взятая извне энергия идет на увеличение хаоса внутри системы (рис. 17).

Естественное направление протекания любого процесса всегда связано с созданием всеобщего хаоса, по при этом хаотичность обладает созидающим характером преобразования объектов, системы в целом и окружающей среды в новое состояние с приданием им новых качеств энергии и энтропии внутри них при неизменном суммарном количестве их в целом.

Следовательно, сам хаос обладает определенными свойствами (количественными величинами):

направлением спонтанных (самопроизвольных) изменений (прохождения процесса);

скоростью осуществления изменений (началом и окончанием процесса).

Для возникновения хаоса необходима энергия активации процесса, приводящего к изменению и перестройке существующих в окружающей среде систем и объектов, которая зависит от количества, плотности и распределения ее в пространстве, где происходит процесс.

Вероятность того, что энергия активации накопиться для начала процесса (16), называется вероятностью (или распределением) Больцмана:

вероятность = ехр (энергия активации / температура)

Так, железо окисляется не сразу, превращаясь в ржавчину, а химическая реакция его взаимодействия с активным кислородом окружающей среды обладает определенной направленностью (со стороны «слабых», наиболее подверженных коррозии участков) и скоростью реакции (временным характером эксплуатационных свойств изделий из него).

3.4 Связь времени и теплоты, энтропии и работы

Каким бы образом система не воздействовала на окружающую среду или окружающая среда на систему, между ними в результате энергетических изменений меняются и температурные показатели, то есть происходит обмен теплотой, при этом этот обмен зависит от временных показателей (рис. 18).

Поведение объекта (изменение его внутренней структуры) внутри системы при изменении времени и температуры можно представить движением точки на графике (рис. 18) на соответствующей плоскости этого графика (16).

Используя понятие комплексного числа (а + ib, где а, b - вещественные числа, показывающие состояние и структуру объекта или системы, а i = v -1 - мнимая единица), то температуру можно рассматривать как мнимое время (П. Эткинс, 1987).



Рис. 18. Связь температуры (теплоты) и времени.

Если представить рабочую неделю человека в виде протекания реакций внутреннего обмена веществ в организме человека, то наибольшие напряжение организма и скорость обмена веществ происходят у человека в понедельник, с началом напряженного труда, когда впереди пять дней работы, а наименьшие - в воскресный отдых, когда организм расслабляется и отдыхает (рис. 19).

Рис. 19. «Мнимое» время в течение недели в зависимости от температуры и обмена веществ в организме человека.

Аналогично тому, что по мере приближения отдыха «мнимое» время начинает двигаться относительно человека с убыстрением, «приближая» дни отдыха, так и температурные показатели (теплоотдача организма человека в окружающую среду) снижаются по мере приближения к выходным дням. Следовательно, и отдача энергии снижается, а энтропия в организме накапливается, и чем больше ее накопилось за время отдыха, тем больше стрессовых ситуаций человек испытает с началом рабочей недели.

Вот почему так тяжело встать с дивана после отпуска и войти в режим интенсивной отдачи в окружающую среду теплоты в виде работы.

Совсем другое дело, когда человек проводит эти дни активно, с отдачей энергии, но при этом при сохранении ощущения течения «мнимого времени».За время такого отдыха не происходит накопления энтропии, которая находит свой выход в окружающую среду в виде «работы» (активного вида отдыха).

Таким образом, возвращаясь в окружающую (рабочую) среду из среды отдыха, человек (работник) не испытывает дискомфорта излишне накопленной энтропии внутри организма, и ему легче переходить от одного вида работы (активного отдыха) к другому виду (трудовой деятельности), от течения «мнимого» времени к реальному календарю. Тем самым у него снижается степень профессионального риска при его плавном переходе от другого вида риска - индивидуального.

Переход теплоты в направлении, противоположному перепаду (градиенту) температуры от холодного объекта к горячему (рис. 20) не противоречит второму началу термодинамики, если такой переход сопровождается другими существенными изменениями.



Рис. 20. Перенос теплоты от холодного «источника» к горячему «стоку»

Отсюда можно подойти и к положениям, изложенным в части первой настоящего пособия.

Подобно тому, как охлаждение не может происходить спонтанно, не могут возникать и упорядоченные формы существования материи, характерные для живых организмов. Однако возникновение жизни все же не противоречит второму началу термодинамики, если при этом где-либо еще происходит компенсирующее изменение. Для продления жизни организмам необходимо питаться, то есть получать энергию извне как открытым системам, а, значит, разрушать упорядоченные формы (системы) энергии высокого качества окружающей среды.

Аналогично для охлаждения какого-либо предмета в одной точке окружающей среды (Вселенной в целом) необходимо понизить качество энергии в другом месте (сжечь источник тепла, расщепить ядро атома, излить поток воды сверху вниз через систему гидротехнических сооружений, привести в действие «пищевую цепочку»). Отсюда снижение качества природной энергии является непосредственной причиной локального увеличения хаоса в окружающей среде, нарушения естественного природного процесса. Антропогенные объекты, созданные человеком и составляющие объекты и системы низшего порядка общей системы - техносферы, производят работу, разупорядочивая однонаправленное упорядоченное движение в природных системах, тем самым нарушая природные процессы и законы, движущие их. При переходе теплоты от горячего тела (объекта) к холодному совершается работа. Используя эту работу, человек заставляет энергию в виде теплоты совершать переход в обратном направлении. Чтобы охладить какой-либо предмет, то есть пойти против закона термодинамики, необходимо не только иметь средства для совершения работы (оборудование, механизмы), но и иметь технические средства для их объединения в техническую систему, где эта работа будет совершена (приведение мотора в действие посредством компрессора, парового двигателя посредством котла) (11,16).

Рис. 21. Процесс охлаждения системы и повышения температуры окружающей среды в результате произведенной работы

В процессе охлаждения энтропия охлаждаемого тела уменьшается, а горячего окружения повышается. Суммарный прирост энтропии возможен в случае добавления к потоку энергии в форме теплоты какого-то количества энергии. Несмотря на накопление энергии в горячем окружении (окружающей среде) при более высокой температуре, положительное изменение энтропии достигает требуемой величины для ее суммарного прироста (рис. 21).

Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что при совершении любой работы в технологической системе энтропия окружающей среды растет, и, следовательно, выделяемая в нее «теплота» (поток энергии, вещества, информации) приводит к возрастанию опасности перехода хаоса, возникающего в окружающей среде, к критически неуправляемому процессу (аварии, катастрофе, чрезвычайной ситуации техногенного характера).

В ходе любого естественного процесса в окружающей среде (и во Вселенной в целом) неизбежно порождается энтропия, однако, когда теплота отбирается от «охлаждаемой» системы (объекта), происходит уменьшение ее энтропии.

Величина этого уменьшения определяется выражением:

изменение энтропии = отобранная теплота / температура

где под температурой понимается температура холодного тела (объекта, системы) (температура _хол).

Положительный вклад в суммарную энтропию объект - система-окружающая среда определяется соотношением (16):

изменение энтропии = сброшенная теплота / температура

где температура - температура «нагревателя» - резервуара для сброса теплоты (температура _гор).

Поскольку температура _гор превышает температуру _хол, вновь произведенная энтропия превышает отобранную (прежнюю уничтоженную) в том случае, если сброшенная теплота превышает отобранную, при этом такое возможно при условии добавления к потоку энергии в процессе ее перехода от холодного объекта (системы) к горячему.

Этого можно добиться посредством совершения работы, и, чтобы добиться охлаждения, необходимо совершить работу, и соотношение значения приращений энтропий отвечает равенству:

отобранная теплота / температура _хол / сброшенная теплота / температура _гор

отсюда:

сброшенная теплота = отобранная теплота = совершенная работа

Для совершения работы по охлаждению объекта (системы) необходима определенная мощность, совершаемая работой:

мощность ~ (разность температур)² / температура _хол,

при этом скорость сообщения энергии в виде теплоты охлажденному объекту пропорциональна разности температур между объектом и окружающей средой.

При нагревании объектов и систем в целом взаимодействие между объектами внутри системы постепенно ослабевает, и при температуре 3000°К химическое взаимодействие исчезает, объекты системы освобождаются от существующих между ними связей, и система разрушается.

Таким образом, накопившейся внутри системы энергии становится в избытке, чтобы объекты системы стали «самостоятельными» и покинули «материнскую» систему.

При насыщении объектами, покинувшими систему, окружающей среды, свойства окружающей среды изменяются, она превращается в плазму, состоящую из разложившихся объектов, так как процесс «разбегания» объектов продолжается при таком количестве теплоты до их конечного разрушения. В окружающей среде упорядоченность ее построения и однонаправленность идущих в ней процессов уступают место хаосу, температура окружающей среды и разложившихся объектов системы сравнивается, устанавливается тепловой контакт, излучения (потоки энергии, вещества) исчезают, окружающая среда (Вселенная в целом) становится единым целым.

Вселенная приходит в состояние теплового равновесия, тем самым она вступает в этап раннего охлаждения, повторяя процесс, который произошел через 700 тыс. лет после Большого взрыва, когда температура Вселенной снизилась до этих значений (+3000°К).

При температурах выше указанной физические и другие законы, действующие на Земле, перестают действовать, и, образно говоря, свет порождает тьму, а шум - тишину.

Вышесказанное можно подтвердить последними исследованиями лауреатов Нобелевской премии по физике за 2011 год - американца Сола Перлмуттера, австралийца Брайана Шмидта и американца Адама Риса за открытие того, что Вселенная расширяется с ускорением.

Лауреатами были проведены измерения флуктуации космического микроволнового излучения, подтвердившие основную роль в расширении Вселенной темной энергии, природа и происхождение которой еще требуют дальнейшего изучения, но многие признаки за то, что природа темной энергии и энтропии имеет одинаковый генезис.

По результатам современных исследований, плотность барионной материи и тёмной материи составляет около 30 % от критической плотности, требуемой для образования «закрытой» Вселенной, то есть плотности, необходимой, чтобы форма Вселенной была плоской. Измерения реликтового излучения Вселенной, недавно проведённые спутником WMAP, показывают, что форма Вселенной действительно очень близка к плоской. Следовательно, некая ранее неизвестная форма невидимой энергии должна давать отсутствующие 70 % плотности Вселенной.

По имеющимся оценкам, ускоряющееся расширение Вселенной началось приблизительно 5 миллиардов лет назад. Предполагается, что до этого расширение замедлялось благодаря гравитационному действию тёмной материи и барионной материи. Плотность барионной материи в расширяющейся Вселенной уменьшается быстрее, чем плотность тёмной энергии. В конце концов, тёмная энергия начинает преобладать. Например, когда объём Вселенной удваивается, плотность барионной материи уменьшается вдвое, а плотность тёмной энергии остается почти неизменной (или точно неизменной -- в варианте с космологической константой).

Если ускоряющееся расширение Вселенной будет продолжаться бесконечно, то в результате галактики за пределами нашего Сверхскопления галактик рано или поздно выйдут за горизонт событий и станут для нас невидимыми, поскольку их относительная скорость превысит скорость света.

В результате этих событий любая форма коммуникации далее пределов горизонта событий становится невозможной, и всякий контакт между объектами теряется. Земля, Солнечная система, наша Галактика, и наше Сверхскопление будут видны друг другу и в принципе достижимы путём космических полётов, в то время как вся остальная Вселенная исчезнет вдали. Со временем наше Сверхскопление придёт в состояние тепловой смерти, а фантомная энергия приведёт к «расходящемуся» расширению. Расширяющая сила действия тёмной энергии продолжит неограниченно увеличиваться, пока не превзойдёт все остальные силы во Вселенной, и со временем разорвёт все гравитационно связанные структуры Вселенной, затем превзойдёт силы электростатических и внутриядерных взаимодействий, разорвёт атомы, ядра и нуклоны и уничтожит Вселенную в Большом Разрыве.

3.5 Хаос, созидающий жизнь

При однонаправленности и последовательности отдельных процессов, приводящих, как показано выше, к разложению системы из-за потери связи внутри ее между объектами и последующему распаду самих объектов на отдельные частицы, происходит возникновение хаоса в окружающей среде (и в конечном итоге во Вселенной в целом), при этом энтропия окружающей среды возрастает. Но и в этом, казалось бы, хаотичном разложении системы и ее объектом наблюдается последовательность разложения системы-объектов-частиц и так далее при однонаправленности процесса разложения от порядка в системе и объектов до их распада и появления хаоса.

При этом совершается работа по разложению системы на элементы, происходит самопоглощение выделяемой при этом теплоты на происходящую работу по разложению, и минимальное количество сообщенной внешней окружающей среде теплоты выражается как (16):

минимальное количество сообщенной теплоты = (температура) х (изменение энтропии)

Вместе с тем, количество энергии, затраченное на работу по разложению системы и объектов системы, определяется разницей между полной освободившейся при этом энергией и энергией, поступившей в окружающую среду. Следовательно, для выполнения работы использовалась свободная энергия, равная:

свободная энергия = полная энергия (системы+объектов системы) - температура х изменение энтропии

При совершении процесса от внутреннего порядка системы к ее полному разложению (хаосу) энтропия растет до определенного предела, и внутри хаоса начинаются самопроизвольные процессы, которые приводят к порядку нового уровня, с образованием и возникновением структур высокой степени сложности, образующиеся при этом структуры могут образовывать сложные объекты, и с возникновением связи между ними объекты могут образовать новую систему. Но данный процесс преобразования хаоса в структуру и систему более высокого порядка не является воплощением целенаправленного замысла, зародившегося внутри хаоса, а может возникать естественно и спонтанно в результате определенной последовательности, каждая из цепочек последовательности сама по себе не преследует конкретной цели, а происходит в естественном направлении, которое уже не повторится во второй раз.

Так, после Большого взрыва Вселенной до зарождения ныне существующих звезд произошло спонтанное образование из хаоса первичных звезд, но переполняющие Вселенную первичная энергия и незначительное содержание в ней энтропии не «затормозили» этот процесс, объекты (звезды) вновь разрушили образовавшуюся первичную систему, что привело к новому хаосу, и так до образования системы, в которой до сих пор существует наш мир.

Именно благодаря таким локальным, по отношению к пространству Вселенной, нарушениям общей тенденции к деградации энергии становится возможным возникновение временных упорядоченных структур.

Так, разветвленная сеть взаимозависимых однонаправленных простых процессов химического свойства среди неорганических веществ могло привести к уникальному явлению - возникновению сложных структур, вырастающих из хаоса - зарождению органического вещества и, в конечном итоге, жизни на Земле.

Но уникальность живой природы имеет очень слабую сторону - любой живой организм (объект биосферы как системы) является сам по себе открытой системой, зависящей от окружающей его среды, и любые изменения параметров среды ведут к ухудшению качества открытой системы, а при критических значениях - к ее деградации и разложению.

Контрольные вопросы для усвоения материала Введения в часть 2

Раскройте понятие энтропии как природного явления.

Что понимается под ассиметрией как однонаправленностью природных процессов.

Тепловое равновесие между объектами, в каких процессах оно выражается.

Что руководит процессом передачи энергии другим способом за счет асимметрии происходящего при этом процесса.

Каким образом определяется энтропия как признак закрытой системы.

В каких случаях происходит изменение энтропии системы.

Чем рассеяние энергии (ее диссипация) сопровождается.

В чем выражается взаимосвязь энтропии и хаоса.

Когда происходит уменьшение энтропии закрытых систем.

Когда наступает термическое равновесие двух систем.

Когда порождается хаос и какими определенными свойствами (количественными величинами) он обладает.

Каким образом происходит понижение качества при стабильном количестве энергии внутри системы.

Связь времени и теплоты, энтропии и работы.

Опишите процесс преобразования хаоса в структуру и систему более высокого порядка.

Контрольный тест по усвоению пройденных тем и материала

Слушателям выдаются контрольные вопросы по окончанию прохождения пройденных тем, на которые они отвечают письменно. На практических занятиях они производят расчеты по выполненной работе при поступлении теплоты из одной системы в другую на конкретных примерах. Преподаватель проверяет полученные данные и полноту ответов слушателей и информирует о результатах их работы с выставлением промежуточных оценок по теме в журнал.

4.Опасности рабочих зон и среды обитания человека

Человечество на всем протяжении истории своего развития, как показано выше, подвержен воздействию опасностей окружающего мира, и по мере развития и совершенствования созданной им искусственной системы - техносферы оказался в новом для него как объекта биосферы современном мире опасностей - ноксосфере.

Человек как объект природы (биосоциальной системы) одновременно представляет собой открытую систему, подверженную воздействию различных потоков из окружающей среды, и организм его постоянно находится во взаимодействии с окружающей его средой, а, следовательно, подвержен всем естественным опасностям, возникающим в ней при изменении абиотических факторов биосферы и при стихийных природных явлениях (9).

Жизнь человека на урбанизированной территории постоянно и непрерывно связана с производимой им работой и социальной деятельностью:

трудовые отношения;

пребывание в социальной и урбанизированной среде;

использование технических средств;

взаимодействие с природной средой;

отдых и досуг.

Деятельность организма человека совершается за счет потребляемой им энергии, выделяемой в результате химического расщепления биологических веществ в виде «топлива» - пищи, или обмена веществ (при различных видах деятельности и основного, жизненно необходимого обмена) (2).

Для поддержания жизни человека необходим расход энергии 4,2 кДж/ч на 1 кг массы тела, при этом затраты энергии возрастают при совершении человеком тех или иных действий.

Затраты энергии (расход энергии в Вт) при мышечной работе зависят от ее напряженности и продолжительности:

сон……………………………………………67,5…71,1;

легкая сидячая работа…………………….116,4..125;

легкая физическая работа…………………408,3..583,3;

тяжелая физическая работа……………….583,3..875.

Нормальная жизнедеятельность человека может осуществляться только при определенных метеорологических условиях:

давлении Р;

температуре Т;

относительной влажности ц;

скорости движения W атмосферного воздуха окружающей среды.

Параметры этих условий влияют на интенсивность тепломассообмена тела человека с окружающей средой, в процессе которого в окружающую среду поступает (отводится вырабатываемая организмом при жизнедеятельности) теплота Q_выр, а температура тела поддерживается на определенном уровне, обеспечивающем нормальное протекание обменных реакций в организме человека.

Температурный оптимум человека близок к температуре его тела, составляющему +37° С (температура «ядра» тела или внутренних органов).

Данная температура более-менее стабильна для здорового человеческого тела на всем протяжении его жизни, незначительно изменяясь в зависимости от времени года, суток и возраста (3):

максимальная величина температуры тела в течение дня в период с 16 до 18 часов (37,0…37,1° С), минимальная с 3.00 до 4.00 (36,0…36,2° С);

максимальная температура тела наблюдается в возрасте до 3-5 лет (37,0…37,1° С), минимальная у пожилых людей свыше 65 лет (35,…36,0° С);

оптимальная температура тела для жизнедеятельности человека находится в пределах 25,0…43,0° С.

Неравномерно распределяется температура тела по его частям:

кожи лба - 32,5…34,0° С;

груди 31…33,5° С;

кистей рук 28,5° С;

пальцев стопы 24,4° С;

в подмышечной впадине 36,5…36,9° С.

Количество отводимой в окружающую среду теплоты выражается:

Q_отв = Q_к + Q_р + Q_п + Q_д, (3.1)

где:

Q_к, Q_р, Q_п, Q_д - количество теплоты, отводимой за счет конвекции, радиации (излучения), испарения пота и дыхания, Вт.

Конвективный теплообмен тела человека с окружающей средой определяется температурой окружающей среды Т_ос и подвижностью окружающего воздуха W:

Q_к = ѓ(T_ос;W) (3.2)

Радиационный теплообмен описывается обобщенным законом Стефана-Больцмана:

Q_р = C_прF_кш{(T_к/100)⁴ - (T_оп/100)⁴} (3.3)

где:

C_пр - приведенный коэффициент излучения ? 4,9 В/(м²·К⁴);

F_к - площадь поверхности кожи, излучающей лучистый поток (~1,8 м²), м²;

ш - коэффициент облучаемости, зависящий от расположения и размеров поверхностей и показывающий долю лучистого потока, излучаемого поверхностью пламени (~1);

Т_к - средняя температура кожи;

Т _оп - средняя температура окружающей среды.

Количество теплоты, отдаваемого телом человека в окружающую среду при испарении пота:

Q_п = M_пr, (3.4)

где:

М_п - масса испарившегося пота, г/с;

r - скрытая теплота испарения пота, Дж/г (для воды 2450 Дж).

Количество теплоты, расходуемой на нагревание вдыхаемого воздуха, определяется по формуле:

Q_д = V_лвс_вдC_р(T_выд - T_вд), (3.5)

где:

V_лв - объем воздуха, вдыхаемого человеком в единицу времени («легочная вентиляция»), м³/с;

с_вд - плотность вдыхаемого воздуха, кг/м³;

C_р - удельная теплоемкость вдыхаемого воздуха, кДж/(кг·°С);

T_выд - температура выдыхаемого воздуха, °С;

T_вд - температура вдыхаемого воздуха, °С.

Нормальное тепловое состояние организма человека (тепловой комфорт) наблюдается при условии, когда вся вырабатываемая организмом теплота Q_выр передается телом окружающей среде при равенстве: Q_выр = Q_отв.

4.1 Показатели микроклимата рабочей зоны

Для обеспечения комфортного местонахождения человека в окружающей среде, в том числе в рабочей зоне, необходимы определенные показатели микроклимата, оказывающие непосредственное влияние на тепловое самочувствие человека и его работоспособность, но не приводящие к снижению работоспособности и состояния здоровья человека.

Параметры, оказывающие негативное влияние на его здоровье и работоспособность, определяются определенными показателями, превышение которых указывает о возникновении опасности, в том числе опасных потоков вещества, излучений и информационного воздействия.

Согласно ГОСТ 12.1.005-88 показателями, характеризующими микроклимат¹¹ Микроклимат производственных помещений - метеорологические условия внутренней среды этих помещений, которые определяются действиями на организм человека сочетаниями температуры, влажности, скорости движения воздуха и теплового излучения.

, являются:

температура воздуха;

относительная влажность воздуха;

скорость движения воздуха;

интенсивность теплового излучения.

При этом стандарт устанавливает общие санитарно-гигиенические требования к показателям микроклимата и допустимому содержанию вредных веществ в воздухе рабочей зоны.

Требования к допустимому содержанию вредных веществ в воздухе рабочей зоны распространяются на рабочие места независимо от их расположения (в производственных помещениях, в горных выработках, на открытых площадках, транспортных средствах и т.п.). Требования к микроклимату не распространяются на рабочие места в подземных и горных выработках, в транспортных средствах, животноводческих и птицеводческих помещениях, помещениях для хранения сельскохозяйственных продуктов, холодильниках и складах. Стандарт не распространяется на требования к воздуху рабочей зоны при радиоактивном загрязнении.

Оптимальные показатели микроклимата распространяются на всю рабочую зону, допустимые показатели устанавливаются дифференцированно для постоянных и непостоянных рабочих мест. Оптимальные и допустимые показатели температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в рабочей зоне производственных помещений должны соответствовать значениям, указанным в таблице 3.1 (8).

Допустимые величины показателей микроклимата устанавливаются в случаях, когда по технологическим требованиям, техническим и экономическим причинам не обеспечиваются оптимальные нормы.

Состояние воздушной среды и чистота атмосферного воздуха оказывают большое влияние на обмен веществ и жизнедеятельность организма человека и являются важными характеристиками состояния санитарно-гигиенических условий труда.

Физическое состояние воздушной среды характеризуется температурой, влажностью, скоростью движения воздуха.

Сочетание этих элементов, а также наличие теплового излучения от нагретых поверхностей оборудования, материалов и изделий определяют микроклимат данного производственного участка (производственных помещений, открытых рабочих площадок и т.п.). Метеорологические условия на производстве оказывают большое влияние на теплообмен тела человека с окружающей средой. Нарушение теплообмена ведет к нарушению терморегуляции, обеспечивающей необходимые условия для протекания в организме химических процессов, лежащих в основе его жизнедеятельности.

Терморегуляция осуществляется физиологическими механизмами и находится под непосредственным контролем центральной нервной системы. Она обеспечивает тепловое равновесие между количеством тепла, непрерывно образующимся в организме в процессе обмена веществ, и излишками тепла, непрерывно отдаваемыми в окружающую среду, т.е. сохраняет тепловой баланс организма человека.

Отдача тепла в окружающую среду может происходить тремя путями:

в виде инфракрасных лучей, излучаемых поверхностью тела в направлении окружающих предметов с более низкой температурой (радиация);

нагревом воздуха, омывающего поверхность тела (конвекция);

испарением влаги с поверхности тела, легких и слизистых оболочек верхних дыхательных путей.

3.2.Параметры метеорологических условий рабочей зоны

Параметры метеорологических условий в рабочей зоне производственных помещений регламентируются ГОСТ 12.1.005-76 «Воздух рабочей зоны» и «Санитарными нормами проектирования промышленных предприятий» (СН 245-71).

Нормами установлены оптимальные и допустимые величины температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха с учетом избытков явного тепла, тяжести выполняемой работы и сезонов года.

Оптимальные микроклиматические условия - это такие сочетания параметров микроклимата, которые при длительном и систематическом воздействии на человека обеспечивают сохранение нормального функционального и теплового состояния организма без напряжения реакций терморегуляции, создают ощущение теплового комфорта и являются предпосылкой для высокого уровня работоспособности.

Производственные помещения по избыткам явного тепла, воздействующего на изменение температуры воздуха в них, подразделяются на помещения с незначительными избытками явного тепла и помещения со значительными избытками явного тепла (относятся к категории «горячих цехов»).

По тяжести выполнения производимые работы подразделяются на три категории на основе общих энергозатрат организма (5):

легкие физические работы (категория I). К ним относятся работы, производимые сидя, стоя или связанные с ходьбой, но не требующие систематического физического напряжения или поднятия и переноски тяжестей;

физические работы средней тяжести (категория II), которые делятся на две подгруппы - II_а и II_б. К категории II_а относятся работы, связанные с постоянной ходьбой, выполняемые стоя или сидя, но не требующие перемещения тяжестей. К категории II_б относятся работы, связанные с ходьбой и переноской небольших (до 10 кг) тяжестей;

тяжелые физические работы (категория III). Это работы, связанные с систематическим физическим напряжением, в частности, с постоянными передвижениями и переноской значительных (свыше 10 кг) тяжестей.

Сезоны года подразделяются на два периода: холодный, характеризуемый среднесуточной температурой наружного воздуха ниже +10єС, и теплый, среднесуточная температура которого +10єС и выше.

Наиболее эффективным средством обеспечения необходимого санитарно-гигиенического состояния воздушной среды в помещении является вентиляция, количественно характеризуемая кратностью воздухообмена.

Кратность воздухообмена - это отношение количества воздуха, подаваемого на вентиляцию в течение определенного промежутка времени, к внутреннему объему помещения (8):

K = V / V_п 3600 (ч^-1) (3.6)

Кратность воздухообмена показывает, сколько раз в течение часа полностью сменяется воздух в помещении.

3.3.Воздействие инфракрасного теплового излучения

Лучистый теплообмен между телами представляет собой процесс распространения внутренней энергии, которая излучается в виде электромагнитных волн в видимой инфракрасной (ИК) области спектра. Длина волны видимого излучения - от 0,38 до 0,77 мкм, инфракрасного - более 0,77 мкм. Такое излучение называется тепловым, или лучистым теплом (8).

Воздух диатермичен (прозрачен) для теплового излучения, поэтому при прохождении лучистого тепла через воздух температура его не повышается. Тепловые лучи поглощаются предметами, нагревают их, нагретые поверхности становятся излучателями тепла. Воздух, соприкасаясь с нагретыми телами, также нагревается и температура воздушной среды в производственных помещениях возрастает.

Интенсивность теплового излучения может быть определена по формуле (8):

Q = 0,78F[(T_o/100)⁴ - 110]/l² (3.7)

где:

Q - интенсивность теплового излучения, Вт/м²;

F - площадь излучающей поверхности, м²;

T₀ - температура излучающей поверхности, К;

l - расстояние от излучающей поверхности, м.

Тепловой обмен организма человека с окружающей средой заключается во взаимосвязи между образованием тепла (термогенезом) в результате жизнедеятельности организма и отдачей этого тепла в окружающую среду.

Теплоотдача осуществляется, в основном, тремя способами: конвекцией, излучением и испарением.

Передача тепла ИК-излучением является наиболее эффективным способом теплоотдачи и составляет в комфортных метеоусловиях до 60 % общей теплоотдачи. Тело человека излучает в диапазоне длин волн от 5 до 25 мкм с максимумом энергии на длине волны 9,4 мкм.

В производственных условиях, когда работающий окружен предметами, имеющими температуру, отличную от температуры тела человека, соотношение способов теплоотдачи может существенно изменяться. Отдача человеческим телом тепла во внешнюю среду конвекцией и излучением возможна лишь тогда, когда температура окружающих предметов ниже температуры тела человека.

...