Хаос и порядок в природе

Молекулярно-кинетические представления

Молекулярная физика изучает движение больших совокупностей атомов и молекул. Молекулы и атомы находятся в непрерывном движении, которое впервые обнаружил в 1827 г. ботаник Р.Броун. Природа броуновского движения была понята в 1905-1906 годах (А. Эйнштейн и М.Смолуховский - молекулярно-статистическая теория броуновского движения). Их теоретические предсказания были проверены Ж.Б.Перреном:

1. Хаотическое движение молекул газа или колебательное движение молекул твердого тела (жидкости) - тепловое движение.

2. Энергия, связанная с этим движением - внутренняя энергия.

Имеется два подхода к изучению макроскопических явлений в макротелах:

1. Термодинамика или термодинамический подход — феноменологическое исследование явлений и свойств материальных тел, характеризуемых макроскопическими параметрами Р, Т,V и др. Основа подхода — начала, которые являются обобщением опыта. В этом подходе не выявляются микроскопические механизмы изучаемых явлений. Теплота рассматривается как какое-то внутреннее движение без конкретизации.

2. Статистический подход исходит из микроскопического описания. Для этого вводится представление об атомно­-молекулярном строении вещества. В этом случае теплота рассматривается как проявление беспорядочного движения атомов и молекул. Законы поведения систем большого числа частиц выводятся из статистических закономерностей. Оба подхода используют молекулярно-кинетическую теорию, но в разной степени.

МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИЕЙ называется учение, которое объясняет строение и свойства тел движением и взаимодействием атомов, молекул и ионов, из которых состоят тела.

В основе молекулярно-кинетических представлений о строении лежат 3 положения:

Любое тело состоит из большого числа малых частиц;

Молекулы находятся в хаотическом движении;

Интенсивность движения молекул зависит от температуры вещества;

Из основного уравнения молекулярно-кинетической теории вытекает: средняя кинетическая энергия поступательного движения одной молекулы идеального газа прямо пропорциональна его термодинамической температуре и зависит только от нее: Е= кТ

Термодинамическая температура - мера кинетической энергии поступательного движения идеального газа, что раскрывает молекулярно-кинетическое толкование температуры.

Энтропия определяет многие закономерности в поведении систем в направлении их эволюции.

Понятие энтропии оказалось связанным с количеством информации и с качеством энергии.

Энтропия позволяет количественно оценить порядок (структуру) и беспорядок (хаос), а также их взаимосвязь и возможность перехода одного в другое.

Идея о возможности превращения хаоса в порядок легла в основу синергетики, научного направления на стыке физики, химии, математики, биологии и социологии.

Понятие состояния физической системы является центральным элементом физической теории. В зависимости от того, как это состояние определяется теории делятся на динамические и статистические.

К первым относятся классическая механика, равновесная термодинамика, классическая электродинамика (координата, импульс, поле, заряд, давление, температура).

Вторую группу представляют статистическая механика (молекулярно-кинетическая теория), квантовая механика (вероятности распределения, волновая функция).

В 1845-47 гг. получил обоснование закон сохранения количества энергии при взаимопревращениях ее видов в изолированных системах - всеобщий закон природы - первое начало термодинамики.

Через 20 лет ученые обнаружили знаменитую тень энергии - энтропию - меру рассеяния (диссипации) энергии. Р.Клаузиус, У.Томсон и др. сформулировали закон возрастания энтропии - второе начало термодинамики. Распространение этого закона на всю Вселенную привело к ошибочной теории «тепловой смерти Вселенной».

В 1878 г. Больцман применил понятие вероятности, введенное Максвеллом и показал, что II начало ТД также является следствием статистических законов.

С понижением температуры упорядоченность макросистем растет — газ превращается в более упорядоченную систему частиц - жидкость, а она в еще более упорядоченную - твердое тело. Соответственно уменьшается величина энтропии. Это и составляет суть тепловой теоремы Нернста - третьего начала термодинамики.

Эти три закона вместе с молекулярно­-кинетической теорией составили основу термодинамики, сформировавшейся в конце 19 в. как теория теплового двигателя.

Особенность тепловой энергии состоит в том, что она является энергией неупорядоченного хаотического движения мельчайших частиц тела, в то время как все другие виды энергии - результат упорядоченного движения. Порядок всегда проще превратить в хаос, упорядочить же хаос гораздо труднее.

С развитием статистической физики и термодинамики на место причинных динамических законов становятся статистические законы, позволяющие предвидеть не с абсолютной достоверностью, а лишь с большой степенью вероятности.

Точка зрения Больцмана означала, что необратимое возрастание энтропии в изолированной системе следует рассматривать как проявление все увеличивающегося хаоса, постепенного забывания начальной асимметрии, ибо она приводит к уменьшению термодинамической вероятности W. (s = In w)

В состоянии теплового равновесия энтропия достигает своего максимума. Возрастание энтропии в необратимых процессах есть «стрела времени». Для изолированной системы, будущее всегда расположено в направлении возрастания энтропии. Энтропия же возрастает по мере увеличения хаоса в системе.

С возникновением ТД в физике сложилась щекотливая ситуация: законы Ньютоновской классической механики являются обратимыми (демон Лапласа), а II начало термодинамики указывает на то что вследствие необратимого характера процессов в ТД системах, они не могут быть управляемы до конца, (демон Максвелла).

Мечта Л. Больцмана – объединить динамику и термодинамику не сбылась в полной мере.

Дата добавления: 2014-01-20