Динамические и статистические закономерности в природе

Механическое движение тел подчиняется законам классической механики Ньютона, динамическим законам, устанавливающим, что дви­жение происходит под действием сил. Динамические законы имеют однозначный характер всех связей и зависимостей. Зная начальное состояние механической системы, можно однозначно определить ее последующие состояния. Динамические закономерности не допускают какой-либо неопределенности системы.

Система тепловых термодинамических процессов в отличие от динамической включает большое число отдельных элементов (например, молекул газовой системы), требует статистического рассмотрения, при котором интересуются не движением каждой молекулы, а лишь ее вероятностными характеристиками. Используя теорию вероятностей, можно определить усредненные характеристики всей системы и уста­новить статистические закономерности поведения всей системы.

В классической термодинамике рассматриваются в основном изолированные системы, которые не обмениваются с внешней средой энергией. Именно для таких систем установлен закон возрастания энтро­пии. Этот закон имеет простое статистическое толкование. Энтропия изолированной, т.е. предоставленной самой себе, системы не может убывать. Предоставленная самой себе система будет переходить из менее вероятного состояния в более вероятное. Таким образом, энтропия и вероятность состояний изолированной системы ведут себя аналогично: они могут либо возрастать, либо оставаться неизменными.

В последние годы широкое развитие получили исследования в об­ласти термодинамики неизолированных, так называемых открытых систем, т.е. систем, которые обмениваются энергией и веществом с внешним миром. Открытыми являются биологические системы, в частности клетки живых организмов. Для таких систем энтропия может как возрастать, так и убывать.

В изолированных системах естественные (самопроизвольные) про­цессы идут в направлении от упорядоченных структур к неупорядо­ченным, т.е. от порядка к беспорядку, хаосу. И в этом смысле можно говорить о том, что энтропия есть мера хаоса, беспорядка. Для неизолированных, открытых, систем эволюция, например, живых организмов ведет от менее совершенных форм к более совершенным, от меньшего порядка в природе к большему, и в этих системах энтропия может не увеличиваться, а уменьшаться.

Принцип возрастания энтропии. Понятие энтропии исторически воз­никло при рассмотрении и изучении тепловых процессов и создании термодинамики. К моменту зарождения термодинамики в естествознании господствовала механика Ньютона – механика обратимых про­цессов, которые могут идти как в прямом, так и в обратном направле­нии с так называемым обратимым временем. Например, вращающееся тело проходит при движении одни и те же положения при вращении по часовой стрелке, а затем и против часовой стрелки. Или другой при­мер: в принципе возможны все механические движения, показанные на кинопленке при ее прокручивании – как в прямом, так и в обратном направлении. В термодинамике в этом отношении все обстоит совсем иначе. Так, кажется нереальным появление дров из пепла при прокру­чивании пленки, на которой снят горящий костер.

Важнейшее понятие – энтропию – ввел Р. Ю. Клаузиус. Из термодинамического понятия оно сначала перешло в другие разделы физи­ки – механику, электричество, магнетизм, оптику, а затем в смежные науки – химию, информатику, биологию и сейчас стало одним из важ­нейших понятий современного естествознания наряду с таким, напри­мер, понятием, как энергия.

Энтропия – функция состояния термодинамической системы, изменение которой dS в равновесном процессе равно отношению ко­личества теплоты dQ, сообщенного системе или отведенного от нее, к термодинамической температуре

Принята следующая иерархия качества энергии в указанном смыс­ле: ядерная, электромагнитная, химическая, механическая и тепловая энергии. При этом каждому виду энергии соответствует свое значение энтропии. Оно имеет минимальное значение для энергии высокого качества и возрастает при превращении всех видов энергии в тепловую и переходе системы в термодинамическое равновесие, при котором энтропия достигает максимальной величины.

В связи с этим значение энтропии («превращения») характеризует меру обесценивания энергии. Там, где происходят процессы измене­ния и преобразования энергии, следует ее тень – энтропия.

При плавлении и испарении происходит изменение энтропии си­стем. Термодинамические основы растворения одних веществ в других также требуют знания энтропии. Возрастание растворимости веществ с повышением температуры, расслоение бензина на поверхности воды также связаны с возрастанием энтропии. Изменение энтропии выталкивает молекулы углеводородов из водного окружения. Изменение энтропии выступает в роли действующей силы, гидрофобной. Вещества, которые выталкиваются ею из воды, называются гидрофобными в отличие от гидрофильных веществ вроде спирта, которые полностью растворяются в воде. Следствия гидрофобных энтропийных сил – это строение белков: веществ, определяющих протекание всех жизненных процессов. В своем высказывании Э. Шредингер выразил значение энтропии для биологических систем: «Живой организм питается отрицательной энтропией». Широкое применение получила энтропия в информатике, в частности для расчетов пропускной способности различных линий связи и систем передачи информации.

Дата добавления: 2014-01-03