Концепция необратимости и термодинамика.
Термодинамика как наука возникла из обобщения фактов,
описы-
вающих явление передачи, распространения и превращения тепла,т.е. тепло, возникшее в результате механической работы, нельзя снова пре- вратить в энергию для выполнения новой работы. С другой стороны, из- вестно, что часть тепловой энергии превращается в механическую рабо-
ту. Все эти факты нашли объяснение в законах термодинамики.
1 закон термодинамики.Тепло Q, полученное замкнутой систе- мой, идет на увеличение внутренней энергии D U системы и выполнение работы W, производимую системой против внешних сил:
Q=DU+W ,
где Q>0 -если тепло подводится к системе;
Q<0 -если тепло отводится от системы;
W>0 -если система производит работу;
W<0 -если над системой внешними силами совершается работа.
Классификация систем ( термодинамических ).
Закрытая термодинамическая система- это система, которая не
может обмениваться веществом с внешней средой. ( например, космиче-
ский корабль).
Открытая термодинамическая система- это система, которая может обмениваться веществом с внешней средой ( например, живые
организмы).
Замкнутая (изолированная) термодинамическая система- это система, которая не может обмениваться ни веществом, ни энергией с
внешней средой. (идеализированные системы).
Согласно 1 закону термодинамики в определенных термодинами- ческих системах могут протекать такие процессы, при которых полная энергия системы остается неизменной. Превращение тепловой энергии целиком в механическую работу не нарушает этот закон, однако, такой процесс невозможен. Второй закон термодинамики еще больше ограни- чивает возможные процессы превращения.
2 закон термодинамики.Теплоту можно превратить в работу только при условии, что часть этой теплоты одновременно перейдет от горячего тела к холодному( принцип действия тепловых двигателей). Чтобы теплота могла перейти от холодного тела к горячему, необходи-
мо затратить механическую работу ( принцип действия холодильных машин ).
Согласно 2 закону термодинамики в замкнутой системе в отсутст-
вии каких-либо процессов теплота не может самопроизвольно перейти
от более холодных частей системы к более горячим.
Концепция “ тепловой смерти “. Выдвинута немецким физиком
Р.Клаузиусом (1822-1888), исходя из следующих постулатов:
1) Энергия Вселенной всегда постоянна.
2) Энтропия Вселенной всегда возрастает.
Энтропией называют параметр состояния системы, дифференциал которой равен
dS =
dQобр
T
,
где
dQобр- количество теплоты, полученное (или отданное) системой;
Т- температура теплоотдающего тела.
тает
При получении тепла системой ( dQ>0 ) энтропия системы возрас-
( dS>0 ), а если система отдает тепло ( dQ<0 ) , то ее энтропия убывает
( dS<0 ).
Поскольку понятие энтропии вводится в дифференциальном виде,
то ее значение может быть определено только с точностью до константы
(абсолютное значение определить невозможно).
В статистической физике энтропия связывается с вероятностью термодинамического состояния системы и является мерой упорядочен-
ности системы:
S ~ 1
P ,
где P- термодинамическая вероятность состояния системы.
Если Т=0, то P=1 , а если Т>0 , то Р<1 .
Таким образом, при повышении температуры термодинамическая вероятность состояния уменьшается, увеличивается хаотичность систе-
мы, энтропия возрастает.
Используя понятие энтропии, формулировка II закона термоди-
намики упрощается:
Энтропия замкнутой системы постоянно возрастает ( “стре-
ла времени”в замкнутых термодинамических системах ).Это означает,
что такие системы эволюционизируют в сторону увеличения в них хао-
са, беспорядка, пока не достигнут точки термодинамического равнове-
сия, в которой всякое производство работы оказывается невозможным.
Гипотеза Клаузиуса, основанная на представлении Вселенной за-
крытой системой, является абстракцией, не отражающей реальный ха- рактер природных систем, которые способны обмениваться энергией , веществом и информацией с окружающей средой, т.е. являются откры- тыми системами. В открытых системах также производится энтропия, т.к. имеют место необратимые процессы, но в отличие от закрытых сис- тем она не накапливается,а выводится в окружающую среду. Открытые системы живут за счет заимствования порядка из внешней cреды.
Ключевые термины
Š Энтропия Š Абсолютная температура
Š Вероятность Š Внутренняя энергия
Š Порядок Š Замкнутая система
| Š | Хаос | Š | Закрытая система |
| Š | Работа | Š | Открытая система |
Š “тепловая смерть” Š Термодинамика
Š Тепло Š Стрела времени
Концепция синергетики
Немецкий физик Г. Хакен ( род. 1927г. ) назвал синергетикойпроцессы самоорганизации, происходящие в лазере (в переводе с древ- негреческого cинергетика означает совместное действие или взаимодей- ствие ).