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 = √ -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.

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