|
|
Значение энтропии в развитии термодинамики12 Дальнейшее развитие термодинамики шло, в основном, в двух направлениях: - в изучении устойчивых неравновесных систем, в которое большой вклад внес американский ученый норвежского происхождения Л. Онсагер (Нобелевская премия 1968 г.). Он заложил основы современной неравновесной термодинамики; - в исследовании неустойчивых сильно неравновесных систем. Работы на эту тему проводились в основном бельгийской школой ученых во главе с И.Р. Пригожиным (Нобелевская премия 1977 г.). Было показано, что в результате случайных самопроизвольных флуктуаций (флуктуация — от лат. «fluctuation» — колебание, отклонение) неустойчивых сильно неравновесных и неупорядоченных систем могут возникать открытые упорядоченные подсистемы — структуры. Устойчивость таких структур обеспечивается непрерывным и интенсивным потоком через них энергии и вещества. Энтропия в таких подсистемах может постоянно уменьшаться. Такая подсистема как бы постоянно излучает (выбрасывает) генерируемую ею энтропию, отводя ее в другие подсистемы (окружающую среду). Это происходит за счет извлечения такой подсистемой из других частей системы высококачественных энергии и вещества и возвращения в систему в том же количестве отработанных низкокачественных («испорченных») энергии и вещества. Высокое качество энергии (например, тепловой
Таким образом, в структурах происходит постоянная диссипация, рассеяние («порча») энергии. Вследствие наличия в системе такой подсистемы последняя может все более упорядочивать свое состояние, однако при этом неупорядоченность и хаотичность окружающей среды возрастают, причем так, что энтропия в окружающей подсистему среде растет быстрее, чем она росла бы в условиях отсутствия в ней такой самоорганизованной упорядоченной подсистемы. Кроме того, несмотря на уменьшение энтропии в подсистеме в целом, в рассматриваемой закрытой системе, включающей данную открытую подсистему, энтропия может только возрастать, и вся система в целом движется быстрее ко все более неупорядоченному состоянию, т. е. к термодинамическому равновесию Как видно, процессы, происходящие как в открытой подсистеме (структуре), так и в закрытой системе в целом, полностью подтверждают справедливость второго закона термодинамики. Возникновение упорядоченных структур из неупорядоченных называется самоорганизацией. Исходя из того, что в процесс самоорганизации упорядоченной структуры вовлечено множество элементов например, структурных частиц вещества, и ход процесса зависит от их совокупного (коллективного) действия, Г. Хакен назвал область научных исследований общих закономерностей процессов самоорганизации структур синергетикой (от греч. synergetikos — совместный, согласованно действующий). Было показано, что процесс диссипации энергии является необходимым элементом самоорганизации, поэтому упорядоченные структуры получили название диссипативных. В термодинамике открытых сильно неравновесных систем в последние годы достигнуты большие успехи. Выдающуюся роль в этом сыграл бельгийский физик русского происхождения И.Р. Пригожин (Нобелевская премия в 1977 г. «...за вклад в теорию неравновесной термодинамики, в особенности в теорию диссипативных структур...»). В диссипативной структуре энтропия уменьшается за счет постоянного излучения ее в окружающую среду. Чтобы объяснить это более наглядно, говорят, что диссипативная структура потребляет (поглощает) отрицательную энтропию. По предложению Л. Бриллюэна (1911 г.) отрицательную энтропию стали называть негэнтропией. Процесс самоорганизации структур путем уменьшения своей энтропии (или поглощения негэнтропии) Э. Шредингер охарактеризовал как «добывание упорядоченности за счет окружающей среды». Примером диссипативных самоорганизующихся структур можно привести много: вихри и волны на поверхности движущейся жидкости, смерчи, шаровые молнии, образующиеся (растущие) кристаллы, жизнь и все ее биологические структуры, в том числе человеческое общество. Рассмотрим простые характерные примеры. Пример 6.1. Классическим примером возникновения упорядоченной структуры из полностью беспорядочной системы являются конвективные ячейки Х. Бенара. Ячейки Бенара в неравновесной термодинамике играют исключительную методическую роль, поскольку в этом явлении очень отчетливо проявляются все основные черты термодинамики необратимых сильно неравновесных процессов. В 1900 году была опубликована статья Х. Бенара с фотографией структуры, по виду напоминавшей пчелиные соты. Эта структура образовалась в ртути, налитой в широкий сосуд, подогреваемый снизу (рис. 6.1), после того, как температурный градиент (разность температур между нижней и верхней поверхностями
Такой температурный градиент называется инверсным, так как жидкость у нижней поверхности вследствие теплового расширения имеет меньшую плотность, чем вблизи верхней поверхности. Из-за наличия силы тяжести и архимедовой выталкивающей силы такая система оказывается неустойчивой, поскольку «легкий» нижний слой и «тяжелый» верхний стремятся поменяться местами. При малых градиентах температуры тепловая энергия передается только путем теплопроводности. При достижении некоторого критического значения градиента появляются конвективные потоки, увеличивающие перемешивание жидкости, а тем самым — и ее теплопропускную способность. Однако возникающие в жидкости микрофлуктуации конвективного движения будут затухать в результате действия сил вязкого трения. В сверхкритической же области перепада температур
Рис. 6.3. Ячейки Бенара: а) общий вид структуры сверху сосуда; б) отдельная ячейка
Здесь регулирование потоков частиц происходит самовольно (самосогласованно), кооперировано. В результате возникает устойчивая структура ячеек. Бенара (типа сот (рис. 6.3, а.), обеспечивающая максимальное перемешивание жидкости и максимальную скорость теплового потока q¢. В центральной области каждой шестигранной призмы (ячейки) жидкость поднимается, вблизи вертикальных граней опускается (рис.6.3, б). На свободной поверхности верхнего слоя жидкость растекается от центра к краям, в придонном слое — от границ призмы к центру. Возникает устойчивый тороидальный вихрь Хилла. Если представить графически тепловой поток q от нижней поверхности к верхней в зависимости от разности температур Поскольку система обменивается со средой только теплом и в стационарных условиях при температуре В самом деле, изменение энтропии подсистемы
Здесь В результате получим, что энтропия подсистемы убывает:
Скорость убывания энтропии подсистемы равна
Таким образом, внутренняя самоорганизованная структура (подсистема) существует за счет отвода вырабатываемой ею положительной энтропии во внешнюю среду (систему). Другими словами, структура поглощает отрицательную энтропию (негэнтропию) из внешней среды. Данная структура существует за счет «порчи» высококачественной энергии: она получает энергию Укажем, что грандиозная структура, подобная ячейкам Бенара, имеется на Солнце. Здесь она образует конвективную зону — сферический слой толщиной около 105 км. Пример 6.2. Если говорить упрощенно, то ячейки Бенара как бы в миниатюре воспроизводят условия, необходимые для существования жизни на Земле. Жизнь на Земле стала возможна благодаря потоку негэнтропии солнечного излучения (Л. Бриллюэн, 1911 г.). Сфера жизни на Земле — это упорядоченная структура, которая «питается» негэнтропией. Действительно, энергия солнечного излучения поступает на Землю извысокотемпературного источника (температура поверхности Солнца Таким образом, Земля получает высококачественную энергию от Солнца, перерабатывает и выбрасывает ее в космическое пространство в том же количестве, однако ухудшенного качества вместе с наработанной энтропией. Именно это обстоятельство обеспечивает возможность жизнедеятельности на Земле. Следует отметить, что диссипативные структуры очень чувствительны к изменению внешних условий. Известно, что иногда рождение новой диссипативной структуры возможно только при наличии некоторой другой, исходной диссипативной структуры. Здесь нетрудно увидеть проявление элементов эволюции. Среди великих научных достижений XIX в. два удивляют нас своей противоположной направленностью. Это эволюционная (ошибочная) теория Ч. Дарвина и феноменологическая термодинамика Р. Клаузиуса, В. Томсона, У. Гиббса. Ч. Дарвин в своей работе “О происхождении видов” ошибочно полагал, что в процессе эволюционного развития один вид организмов превращался в другой. Это не верно. На самом деле все изменения наблюдаются только внутри данного вида. Учёными до сих пор не найдены доказательства эволюционного развития мира. Биологическая связь человека с обезьяной не более как подделка. Мы с вами не высокоразвитые обезьяны, а люди. Человек же сотворён по образу Бога. Эволюционное развитие видов и “случайное” возникновение жизни опровергает именно термодинамика, которая утверждает, что любая система, предоставленная сама себе, развивается только в направлении хаоса, в направлении большей неупорядоченности. Живое из не живого само по себе возникнуть не может. Это противоречит всем законам термодинамики. Структура с низшей организацией не может сама по себе перейти в структуру с высшей организацией, а только наоборот. Таким образом, только современная термодинамика благодаря фундаментальности её законов и универсальности понятия энтропии позволила опровергнуть ошибочность теории самопроизвольного зарождения жизни и эволюционного развития мира (см., например, [15]). Дарвин, ошибочное учение которого было использовано “учёными” для опровержения веры в Бога-Творца, был всю жизнь верующим человеком и в течение многих лет был церковным старостой. Он никогда не думал, что его учение может отрицать Творца. После того, как Дарвин изложил свое учение об эволюционном развитии животного мира, его спросили: «Где начало цепи развития животного мира, где первое звено его?». Дарвин ответил: «Оно приковано к престолу Всевышнего».
12 Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: ©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|
), которая подводится к такой подсистеме от данной системы, определяется низким уровнем ее энтропии, характеризуемым высокой температурой Т, при которой подводится энергия 
). Наоборот, это же количество энергии 
, вызванного низкой температурой 
, при которой упорядоченная подсистема отдает энергию 
) превысил некоторое критическое знание 
(рис.6.2).
от перепада темпе-ратуры
появляющиеся флуктуации усиливаются, достигая макроскопических масштабов. Здесь для увеличения пропускной способности жидкости необходима строгая регулировка встречных потоков. В отличие от потоков транспорта на улице города, где регулировка осуществляется извне,
получает такое же количество тепловой энергии q>0 , что и отдает при температуре 
, то выходит, что энтропия системы убывает.
будет равно
— количество подведенной энтропии к подсистеме; 
— количество отведенной энтропии.
(6.8)
(6.9)
при высокой температуре и малой энтропии (высококачественную энергию), а возвращает это же количество энергии Q при меньшей температуре и большей энтропии (низкокачественную энергию). Указанные свойства характерны для всех самоорганизующихся структур.
), а возвращается в космическое пространство (излучается с поверхности Земли) при низкой температуре (средняя температура поверхности Земли 
). Так как средняя температура поверхности Земли не меняется ( 
), то энергия на Земле не накапливается, поэтому поток энтропии от Солнца на Землю будет меньше потока энтропии от Земли в космическое пространство. Полная аналогия с тепловым и энтропийным балансами в ячейках Бенара (см. 6.8)!