Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Математика, химия, физика arrow Основы термодинамики. Принцип возрастания энтропии

Принцип возрастания энтропии

Количественной характеристикой теплового состояния тела является число микроскопических способов, которое это состояние может быть осуществлено. Это число называется статистическим весом состояния. Тело, предоставленное самому себе, стремится перейти в состояние с большим статистическим весом. Принято пользоваться не самим числом, а его логарифмом, которое умножается на постоянную Больцмана, определенную таким образом величину называют энтропий тела. Энтропия сложной системы равна сумме энтропий ее частей. Второй закон термодинамики, определяющий направление тепловых процессов в системе, можно сформулировать так: все естественные физические и химические процессы стремятся идти в направлении, соответствующем необратимому переходу полезной энергии в хаотическую, неупорядоченную форму. Мерой такого перехода служит энтропия. Приведу несколько примеров изменения энтропии в системах:

1. Вскипятили воду в чайнике и оставили его охлаждаться в комнате на столе. Температура воды в чайнике будет понижаться, а температура воздуха около чайника, а потом и всей комнаты за счет этого будет повышаться вследствие того, что молекулы воздуха будут двигаться значительно быстрее. Следовательно, благодаря охлаждению Н2О в чайнике, хаос в окружающем его пространстве увеличивается, значит, увеличивается и его энтропия. Боле того, возрастание энтропии в комнате, обусловленное охлаждением чайника, необратимо.

2. Энтропия характеризует состояние не только энергии, но и вещества. Мы извлекаем энергии из глюкозы, которая получает из окружающей среды, в результате окислительного метаболизма ее в клетке. Конечные продукты ее биотрансформации - углекислый газ и Н2О - возвращаются в окружающую среду. При этом процессе сам организм остается в стационарном состоянии и степень его внутренней упорядоченности не изменяется. Энтропия же окружающей среды возрастает, так как увеличивается число молекул вместо семи в пространство возвращается двенадцать молекул, а следовательно, увеличивается и степень их молекулярной неупорядоченности.

3. Стихотворение Ф. Тютчева:

Не то, что мните вы, природа,

Не слепок, не бездушный лик.

В ней есть душа, в ней есть свобода,

В ней есть любовь, в ней есть язык.

богатое информационное сообщение. В нем заложено глубокое содержание: о единстве природы и человека, о необходимости чуткого и бережного отношения человека к внешнему миру. Если представить себе, что все буквы, из которых состоит сообщение, рассыпать в беспорядке, то весь смысл текста будет утраченным, и эти же все буквы уже не несут никакой информации. Где больше энтропия? В последнем случае, где больше хаос. Из этого следует вывод о том, что информация представляет собой одну из форм энергии, энтропия которой очень низка, поэтому ее еще называют отрицательной энтропией.

Итак, энтропия - мера беспорядка, хаотичности системы. С ростом энтропии возрастает, усиливается беспорядок в системе. И тогда, согласно второму закону термодинамики, энтропия замкнутой системы, то есть системы, которая не обменивается с окружающей средой ни энергией, ни веществом, постоянно возрастает. Такие системы эволюционируют в сторону увеличения беспорядка, дезорганизации и хаоса, пока не наступит состояние равновесия - точка термодинамического равновесия, при которой энтропия максимальна, а производство работы уже невозможно. Из этого следовало, что наиболее организованные, например, живые организмы, должны быть высоко неупорядоченными. Применяя второй закон термодинамики к такой системе, как Вселенная, Р. Клаузиус пришел к трагическому заключению о том, что энтропия Вселенной должна когда-нибудь достигнуть своего максимума. Это означает, что t0 всех тел во Вселенной станет одинаковой и все процессы во Вселенной прекратятся, что приведет ее к тепловой смерти. Однако же история эволюции Вселенной свидетельствует о постоянном развитии от низших форм организации к высшим. Теория эволюции Дарвина утверждает, что естественный отбор направлен на выживание более совершенных организмов и усложнение их организации. Впервые проблема этого противоречия в рамках сравнения свойств живых и неживых систем была сформулирована в книге Эрвина Шредингера "Что такое жизнь?". Он подчеркивал то, что законы физики лежат в основе образования биологических структур, показал, что живые системы, вопреки второму закону термодинамики, способны поддерживать упорядоченность, то есть живые системы могут проявлять тенденцию как к разрушению упорядоченности, так и к ее сохранению. За неживой же природой тогда было признано лишь право разрушать любую упорядоченность.

Эти противоречия оставались неразрешимыми вплоть до шестидесятых годов прошлого столетия, пока не появилась новая наука неравновесная термодинамика, которая опирается на концепцию необратимых процессов и оперирует новым фундаментальным понятием - открытые системы. Неравновесная термодинамика показала, что тенденция к созданию присуща и неживой природе. Вся материя способна осуществлять работу против термодинамического равновесия, способна самоорганизовываться и самоусложняться.

Очень важно то, что с введением понятия энтропии, термодинамика впервые ввела в физику понятие времени в форме необратимого процесса возрастания энтропии в системе, по которому можно судить об изменении системы: чем выше энтропия системы, тем больше временной промежуток прожила система в своей эволюции. В отличие от механических процессов, в которых время выступает как параметр, знак которого можно менять на обратный, а, следовательно, вернуть систему к первоначальному состоянию, в необратимых термодинамических процессах время необратимо. Энтропия практически выступает в классической термодинамике в качестве своеобразной стрелы времени.

 
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Предметы
Агропромышленность
Банковское дело
БЖД
Бухучет и аудит
География
Документоведение
Естествознание
Журналистика
Инвестирование
Информатика
История
Культурология
Литература
Логика
Логистика
Маркетинг
Математика, химия, физика
Медицина
Менеджмент
Недвижимость
Педагогика
Политология
Политэкономия
Право
Психология
Региональная экономика
Религиоведение
Риторика
Социология
Статистика
Страховое дело
Техника
Товароведение
Туризм
Философия
Финансы
Экология
Экономика
Этика и эстетика
Прочее