Тема №5. «От термодинамики к синергетике»

План:

1. Классическая термодинамика: основные принципы, законы и понятия.

2. Создание неравновесной термодинамики или теории самоорганизации.

В лекции 2, рассматривая основные принципы механистической картины миры, мы останавливались на понимании времени – время, как и любые изменения в системе, имеет обратимый характер (принцип обратимости или симметрии времени). Подобное представление о направлении времени не подвергалось сомнению на протяжении XVII-середины XIX вв. Однако уже в XIX вв. появляются данные исследования биологических, экономических, исторических и других систем, которые свидетельствовали об обратном – все изменения, происходящие в системе имеют необратимый характер. В связи с этим возникла необходимость пересмотра понимания о характере времени. Решение данной проблемы происходило в XIX-XX вв. в рамках классической и неклассической термодинамики.

1. Классическая термодинамика: основные принципы, законы и понятия.

Термодинамика – наука о движении и превращении всех видов тепла и энергии, возникшая в XIX в. Первые представления о тепле возникли еще в рамках древнегреческой натурфилософии – тепло или огонь рассматривалось как одна из первооснов бытия.

Первые научные представления о тепле появляются в XVII в. в виде двух точек зрения на природу тепла. Первая точка зрения исходила из представления механистической картины мира о том, что любые изменения в системе происходят под влиянием внешних сил. В соответствии с этим тепло рассматривалось как некий вид жидкости (теплород), который переходит от одного тела к другому и передает тепло. Вторая точка зрения базируется на представлении о внутреннем движении частичек системы – тепло есть результат этого движения. Вследствие того, что именно механики занимала лидирующее положение в объяснении происходящих процессов, именно первой объяснение природы тепла утвердилось в науке. В XIX в. появляются эмпирические данные, которые подтверждали достоверность второй точки зрения, которая и легла в основу термодинамики.

Основные законы термодинамики:

Первый закон термодинамики. В 1845-1847 гг. был сформулирован фундаментальный закон природы – закон сохранения количества энергии. Суть – в изолированной системе количество энергии при любых условиях остается постоянным. Параллельно обоснованию этого законы проводились опыты по передаче тепла от горячего тела к холодному – было замечено, что все виды энергии превращаются в тепло, которое переходит к более холодным телам и в конечном итоге рассеиваются в окружающем пространстве. Для обозначения количества рассеивающейся энергии ученые ввели понятие «энтропия» (мера рассеивания энергии). Таким образом, чем больше энергии рассеивается, тем больше возрастает энтропия.

В этой связи необходимо провести сравнительный анализ содержания понятий «энергия» и «энтропия». Оба термина имеют греческое происхождение: «эн» - в, находящееся, «эрг» - работа, «тропе» - превращение. Иными словами под превращением энергии понимают следующее – это то количество работы, которое могла бы совершить система при переходе от одного состояния в другое. Превращение энтропии – то количество энергии, которое при переходе превращается в тепло, рассеивается в пространстве и уменьшается количество возможной работы.

Таким образом, энергия и энтропия с точки зрения Р. Клаузиуса являются функциональными показателями состояния системы.

Второй закон термодинамики. Рассматривая все процессы, происходящие в системах с точки зрения первого закона термодинамики и энтропии, ученые пришли к выводу, что в изолированной системе все действия протекают в условиях теплообмена и трения с окружающей средой. Подобное представление было положено в основу второго закона термодинамики – закон возрастания энтропии. Суть – в изолированной системе любые процессы сопровождаются возрастанием энтропии.ст

Благодаря тому, что второй закон термодинамики был перенесен Р. Клаузиусом на Вселенную, он получил отрицательную окраску – через определенный промежуток времени во Вселенной произойдет выравнивание температур и в результате полное прекращение работы систем, что приведет к «тепловой смерти».

Попытка исправить подобную ограниченность второго закона была предпринята австрийским физиком Л. Больцманом в 1871-1872 гг. Он справедливо указал, что системы, которые изучает термодинамика, являются статистическими, т. к. состоят из большого числа беспорядочно и хаотически двигающихся частиц. Вследствие этого, законы, которым подчиняется это движение, тоже являются статическими по своей природе, а предсказания носят вероятностный характер. Таким образом, факт постоянного повышения энтропии является наиболее вероятностным состоянием системы, которое не исключает возможности флуктуаций, при которых энтропия может и уменьшаться.

Результатом исследований Л. Больцмана стал пересмотр понятия энтропии, а также возникновение необходимости пересмотра понятия времени. Вследствие того, что беспорядок всегда вероятнее, чем порядок, термин «энтропия» принял другую смысловую нагрузку. Теперь энтропия начинает рассматриваться как мера беспорядка в системе – чем выше беспорядок и хаос в системе, тем больше показатель энтропии. Новая трактовка энтропии повлекла за собой пересмотр второго закона термодинамики – энтропия в замкнутой или изолированной системе постоянно возрастает. Таким образом, системы в своем развитии эволюционируют в сторону возрастания в них хаоса и беспорядка.

Подобная трактовка, с одной стороны, изменила понятие времени, которое приобретает характер постоянного возрастания энтропии (время приобрело необратимый характер – так называемая «стрела времени»). С другой стороны, возникло противоречие, т. к. теория эволюции Ч. Дарвина утверждала, что эволюция ведет к возрастанию упорядоченности в системе, ее сложности и структурированности, а второй закон термодинамики свидетельствовал об обратном процессе. Конфликт был разрешен только в середине XX в. с возникновением новой неклассической или неравновесной термодинамики.

Наконец, более тщательное изучение статистических систем позволило немецкому физику В. Нерсту сформулировать третий закон термодинамики – чем выше температура системы, тем выше ее энтропия и беспорядок, и наоборот (так называемая «тепловая теорема В. Нерста»). В основе подобных выводов лежало следующее наблюдение – с возрастанием температуры в системе скорость взаимодействия и движения ее элементов также растет, что приводит к расшатыванию упорядоченности системы.

Таким образом, каждому закону термодинамики соответствовало собственное понимание энтропии, в соответствии с которым можно выделить три вида энтропии:

1. тепловая – мера рассеивания энергии;

2. структурная – мера неупорядоченности строения системы (например, сломалась вещь, сгорел дом и т.д.);

3. информационная – мера неопределенности информации или «негэнтропия», термин введенный Л. Бриллюэном (например, судить о расположении частиц в газообразном состоянии можно лишь на основании теории вероятности; в жидком состоянии – наблюдается ближний порядок; в твердом – известен и ближний, и дальний порядок).