2.4.7 Третье начало термодинамики

Первые два начала термодинамики дают недостаточно сведений о поведении термодинамической системы при нуле Кельвина. Они дополняются третьим началом термодинамики (тепловой теоремой Нернста–Планка).

При абсолютном нуле температуры всякое тело находится в основном состоянии, статистический вес которого равен единице, а энтропия нулю. Отсюда вытекает, что при стремлении к нулю температуры энтропия всякого тела стремится к нулю.

S → 0 при T → 0 (2.4.13)

Контрольные вопросы

1. Сформулируйте основные положения МКТ. Как экспериментально подтверждаются эти положения?

2. Какие агрегатные состояния вещества Вы знаете? Что является критерием различных агрегатных состояний вещества?

3. Дайте определение изопроцесса и опишите известные Вам изопроцессы

4. Дайте определение внутренней энергии тела и идеального газа. От каких параметров зависит внутренняя энергия идеального газа?

5. Что такое число степеней свободы? Определите число степеней свободы молекулы гелия, молекулы молекулярного кислорода и молекулы пропана.

6. В чем суть закона Больцмана о равном распределении энергии по степеням свободы?

7. Почему колебательная степень свободы обладает вдвое большей энергией, чем поступательная и вращательная?

8. В результате каких процессов может изменяться внутренняя энергия системы? Сформулируйте первое начало термодинамики.

9. Примените первое начало термодинамики для изопроцессов.

10. Сформулируйте второе начало термодинамики в формулировке Р. Клаузиуса.

11. Что такое тепловой двигатель? Дайте определение КПД теплового двигателя.

12. Из каких процессов состоит цикл Карно? Чему равен КПД этого цикла?

13. Как работает тепловой насос?

14. Какими законами запрещается существование вечных двигателей первого и второго рода?

15. Дайте определения порядка и хаоса. Что такое энтропия? В чем заключается физический смысл энтропии?

16. Дайте определение статистического веса состояния системы. Каким статистическим весом характеризуется равновесное состояние системы?

17. В чем заключается статистический смысл второго начала термодинамики? Запишите неравенство Клаузиуса.

18. Поясните связь между энтропией и информацией. Поясните понятие нэгэнтропии.

19. Сформулируйте третье начало термодинамики.

2.5 Элементы синергетики

2.5.1 Понятие о самоорганизации

В естественных науках долгое время господствовало убеждение, что материи изначально присуща тенденция к разрушению всякой упорядоченности, стремление к исходному равновесию. Такой взгляд на вещи был сформирован под воздействием равновесной термодинамики, один из законов которой определяет направленность процессов в природе как переход от порядка к хаосу. Однако реальная практика человечества даже в обыденной жизни убеждает нас в том, что порядок доминирует над хаосом, хотя бы локально. Наглядным примером высокого порядка в неживой природе являются, например, кристаллы. Более глобальными примерами высокоупорядоченных структур, образовавшихся из хаоса, являются звездные системы и Вселенная в целом. Живая природа развивается в направлении усовершенствования и усложнения новых видов животных и растений. История, социология, экономика и другие гуманитарные науки утверждают, что в целом в развитии общества также наблюдается усложнение структур.

Для сохранения непротиворечивости общей картины мира, в которой ясно просматривается усложнение материальных объектов, необходимо постулировать у материи наличие не только разрушительной, но и созидательной тенденции. Материя способна совершать работу и против термодинамического равновесия, самоорганизовываться и самоусложняться.

Способность материи к саморазвитию обсуждалась сравнительно давно, однако лишь в последние десятилетия возникли изучающие это явление науки. Теория самоорганизации в настоящее время развивается прежде всего по двум направлениям – синергетика (Г. Хакен) и неравновесная термодинамика (И. Пригожин). Большое значение для понимания процессов самоорганизации имеют также работы по теории устойчивости Ляпунова и теория катастроф Р.Тома.

Под самоорганизацией понимается спонтанный переход открытой неравновесной системы от менее сложных и упорядоченных форм организации к более сложным и упорядоченным.

Общий смысл комплекса синергетических идей заключается в следующем:

– процессы разрушения и созидания, деградации и эволюции во Вселенной равноправны;

– процессы созидания (нарастания сложности и упорядоченности) имеют единый алгоритм, независимо от природы систем, в которых они осуществляются.