СРС Н.М. Кожевников КСЕ. Изучить раздел 6.4 Энтропия и вероятность

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 3

Чем более упорядочена система (ассиметрична), тем меньшим количеством микросостояний описывается макросостояние (малая вероятность) и тем меньше энтропия и наоборот, чем менее упорядочена система (симметрична), тем большим количеством микросостояний будет описываться макросостояние (большая вероятность) и тем больше энтропия.

Если упорядоченную изолированную систему предоставить самой себе, то она постепенно перейдет в неупорядоченное состояние, энтропия при этом увеличится. В этом заключается статистический смысл энтропии и второго начала термодинамики.

По словам У. Эддингтона, возрастание энтропии, определяющее необратимые процессы, есть «стрела времени». Для изолированной системы будущее всегда расположено в направлении возрастания энтропии. Это и отличает будущее от настоящего, а настоящее от прошлого. То есть возрастание энтропии определяет направление, «стрелу времени». Чем выше энтропия системы, тем больший промежуток она прошла в своей эволюции. Энтропия же возрастает по мере увеличения беспорядка в системе. Поэтому любая изолированная физическая система обнаруживает с течением времени тенденцию к переходу от порядка к беспорядку, то есть система эволюционирует в направлении хаоса, беспорядка, дезорганизации.

Соответственно вышесказанному уместно привести еще одну формулировку II начала термодинамики: «Энтропия изолированной системы при протекании необратимых процессов возрастает, ибо система, предоставленная самой себе, переходит из менее вероятного состояния в более вероятное. Энтропия системы, находящейся в равновесном состоянии, максимальна и постоянна, ΔS > 0.

Проблема тепловой смерти Вселенной

У. Томсон экстраполировал принцип возрастания энтропии на крупномасштабные процессы, протекающие в природе. Р. Клаузиус распространил этот принцип на Вселенную в целом, что привело его к гипотезе о «тепловой смерти Вселенной. Все физические процессы протекают в направлении передачи тепла от более горячих тел к менее горячим, это означает, что медленно, но верно идет процесс выравнивания температуры во Вселенной. Следовательно, будущее вырисовывается перед нами в достаточно трагических тонах: исчезновение температурных различий и превращение всей мировой энергии в теплоту, равномерно распределенную во Вселенной. Отсюда Клаузиус делает вывод о том, что

«1. Энергия мира постоянна. 2. Энтропия мира стремится к максимуму» несоответствие реальной ситуации.

Решение этих проблем следует искать в обшей теории относительности и развивающейся на ее основе современной космологии. Многие теоретики считают, что в обшей теории относительности мир как целое должен рассматриваться «не как замкнутая система, а как система, находящаяся в переменном гравитационном поле; в связи с этим применение закона возрастания энтропии не приводит к выводу о необходимости статистического равновесия

Положение о том, что система эволюционирует в направлении увеличения энтропии, хаоса, беспорядка, дезорганизации противоречило понятию эволюции живой материи и теории Дарвина, уже существующей на тот момент, а также реальным социально-экономическим процессам в обществе. Живые организмы живут и эволюционирует в направлении усложнения, увеличения упорядоченности, уменьшения энтропии.

Организмы, живая природа, биосфера, общество являются открытыми системами, взаимодействуют с окружающей средой, обмениваются с ней веществом, энергией, информацией. В результате такого обмена в системах появляются потоки (процессы переноса) и градиенты состояний системы, которые нарушают статистическое равновесие. Таким образом, открытые системы являются неравновесными. В то же время, в любой физической системе всегда происходят процессы, старающиеся вернуть ее в состояние равновесия. Происходит как бы противоборство между процессами переноса, нарушающими равновесие системы и внутренними процессами, старающимися его восстановить. В открытых системах законы термодинамики реализуются несколько по-другому.

В сильно неравновесных системах рождаются подсистемы, в которых энтропия локально уменьшается, то есть возникают локальные подсистемы с повышенной упорядоченностью. В открытых системах такие подсистемы могут существовать достаточно долго, изменяясь и развиваясь.
рождение локальных состояний с низкой энтропией приводит к ускорению общего роста энтропии всей системы. Благодаря упорядоченным подсистемам вся система в целом движется быстрее к более неупорядоченному состоянию и термодинамическому равновесию.
упорядоченные состояния представляют собой диссипативные структуры, которые требуют для своего становления и поддержания большого притока энергии извне, при этом отработанная, использования на поддержание неравновесной структуры энергия рассеивается (диссипируется) в окружающей среде, повышая ее энтропию. Диссипация означает рассеивание энергии. Таким образом, открытая система извлекает порядок из окружающей среды и тем самым вносит в нее беспорядок.

Очевидно, что с поступлением новой энергии или вещества неравновесность в системе возрастает. Прежняя взаимосвязь между элементами системы, которая определяет ее структуру, со временем разрушается. Между элементами системы возникают новые связи, которые приводят к кооперативным процессам, то есть к коллективному поведению элементов системы. Так схематически могут быть описаны процессы самоорганизации в открытых системах.

Под самоорганизацией подразумевают процесс упорядочения системы, происходящий в силу внутренних факторов самой системы. В противоположность ему организация возникает под действием внешних причин.

Пример самоорганизации – работа лазера. Лазер – это излучение, в котором хаотические колебательные движения составляющих его частиц благодаря поступлению энергии извне при достаточной ее интенсивности приводятся в согласованное коллективное движение. Частицы излучения начинают колебаться в одинаковой фазе, вследствие чего мощность излучения многократно увеличивается. То есть в результате взаимодействия системы со средой, за счет поступления дополнительной энергии прежние случайные колебания ее элементов превращаются в когерентное коллективное согласованное движение. На этой основе возникают кооперативные процессы и происходит самоорганизация системы.

Изучая процессы самоорганизации, происходящие в лазере, немецкий физик Герман Хакен, назвал новое направление исследований синергетикой, что в переводе с греческого означает совместное действие или взаимодействие.

Другим известным примером является химическая реакция, детально изученная Белоусовым и Жаботинским, советскими учеными. Вещества извне, колебательные изменения цвета или появление на поверхности раствора концентрических волн.

На экспериментальной основе отечественных исследователей бельгийскими учеными во главе с И.Пригожиным была построена теоретическая модель колебательной реакции – брюсселятор, которая легла в основу новой термодинамики, неравновесной или нелинейной. Для описания моделей открытых систем и процессов самоорганизации используют нелинейные математические уравнения.

Объяснение процессов самоорганизации в синергетике:

система должна быть открытой.
открытая система должна находиться достаточно далеко от точки термодинамического равновесия
возникновение и усиление порядка через флуктуации (с лат. колебания), то есть через случайные отклонения системы (параметров системы, физических величин) от среднего положения/значения. Изначально имеются в любой системе, но подавляются и ликвидируются ею. НО! В открытых системах, благодаря усилению неравновесности эти отклонения со временем возрастают и приводят к «расшатыванию» прежнего и возникновению нового порядка – принцип образования порядка через флуктуации. Флуктуации носят случайный характер, поэтому можно сказать, что появление нового в мире всегда связано с действием случайных факторов.
Принцип положительной обратной связи – изменения, появляющиеся в системе, не устраняются (принцип отрицательной обратной связи), а, напротив, накапливаются и усиливаются, что и приводит, в конце концов, к возникновению новых порядка и структуры.
при достижении потоков вещества, информации, энергии в систему извне определенных пороговых значений, наступает т.н. точка бифуркации (от лат. раздвоение) - критическое состояние системы, при котором система становится неустойчивой относительно флуктуаций и возникает неопределенность: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на новый, более дифференцированный и высокий уровень упорядоченности. Точка бифуркации непредсказуема и неустойчива, разделяет более длительные устойчивые режимы системы.
Процессы самоорганизации сопровождаются нарушением симметрии. Отказ от симметрии времени, так как реальные термодинамические процессы необратимы. Процессы самоорганизации, связанные с необратимыми изменениями, приводят к разрушению старых и образованию новых симметрий и структур.
самоорганизация может начаться лишь в системах, обладающих достаточным количеством взаимодействующих между собой элементов, то есть имеются критические размеры системы

универсальный эволюционизм

развитием синергетики, которая предложила идею универсального эволюционизма, принципиально изменились как классическое учение об эволюции, так и содержание системного подхода, ибо процессы и явления живой, неживой и социальной материи стали рассматриваться как самоорганизующиеся системы, обладающие способностью«выбирать» из множества возможностей один путь развития. Под влиянием теории нестационарной Вселенной, синергетики, концепций биосферы и ноосферы универсальный эволюционизм утвердился в качестве принципа построения современной общенаучной картины мира.

В этой концепции Вселенная предстает как развивающееся во времени природное целое, а вся история Вселенной от Большого Взрыва до возникновения человечества рассматривается как единый процесс, в котором космический, химический, биологический и социальный типы эволюции преемственно и генетически связаны между собой. Материальный мир развивается, его структура усложняется. Глобальный эволюционизм - это не просто признание временности в развитии материи, но и понимание логики развития Вселенной. Главным принципом является принцип отбора. Наименее эффективные линии развития не переходят на следующий уровень организации материи, но при этом, находясь на более высоком уровне развития, материя впитывает весь предыдущий опыт.

Дата добавления: 2022-01-22; просмотров: 24; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 23

Мы поможем в написании ваших работ!