Второй закон термодинамики и невозможность создания вечного двигателя второго рода

⇐ ПредыдущаяСтр 22 из 26Следующая ⇒

Согласно первому закону термодинамики, могут протекать только такие процессы, при которых полная энергия системы остается постоянной. Например, превращение тепловой энергии полностью в механическую не связано с нарушением первого закона термодинамики, но тем не менее оно невозможно. Второй закон термодинамики еще больше ограничивает возможности процессов превращения.

Второй закон термодинамики утверждает, что не может быть создан вечный двигатель второго рода, который бы производил работу за счет тепла окружающей среды, без каких-либо изменений в окружающих телах. То есть в природе не может быть процессов, единственным результатом которых было бы превращение теплоты в работу. Этот закон утверждает, что во всех явлениях природы теплота сама переходит от более нагретых тел к менее нагретым. Если система замкнута и невозможны никакие ее самопроизвольные превращения, то энтропия достигает максимума. Состояние с наибольшей энтропией соответствует статическому равновесию. Энтропия является мерой вероятности осуществления данного термодинамического состояния или мерой отклонения системы от статического равновесия.

Второй закон термодинамики можно сформулировать как закон, согласно которому энтропия теплоизолированной системы будет увеличиваться при необратимых процессах или оставаться постоянной, если процессы обратимы. Это положение касается только изолированных систем.

Второй закон термодинамики говорит о том, что в замкнутой системе при отсутствии каких-либо процессов не может сама по себе возникнуть разность температур, т.е. теплота не может самопроизвольно перейти от более холодных частей к более горячим.

Согласно второму закону термодинамики, любые замкнутые системы должны перейти в более вероятное состояние, характеризуемое термодинамическим равновесием с наименьшей свободной энергией и с наибольшей величиной энтропии. Поэтому явление спонтанного (самопроизвольного) перехода вещества из симметричного состояния в асимметричное, сопровождаемое повышением упорядоченности и энергетического уровня системы и понижением ее энтропии, кажется просто нереальным. Однако трудности термодинамического характера в вопросе происхождения жизни до сих пор не определены. Решения пока нет.

Существует точка зрения, что второй закон термодинамики не применим к живым системам, так как они не являются замкнутыми системами. Живые системы — это открытые системы. Энтропия живых молекул весьма низка и имеет тенденцию к понижению. Этот факт сегодня является общепризнанным, а ее асимметрия не есть состояние нарушения равновесия, отсутствия структурности или беспорядка, а есть состояние динамического равновесия и упорядоченности, более сложной структурности и более высокого энергетического уровня. Это то самое крайне маловероятное состояние, которое заставляет усомниться в абсолютности знания. Возрастание энтропии и говорит о необходимости поиска новой физической теории или биологической закономерности, описывающей это состояние.

ПРИНЦИП МИНИМУМА ДИССИПАЦИИ ЭНЕРГИИ

В мировом процессе развития принцип минимума диссипации энергии играет особую роль. Суть его: если допустимо не единственное состояние системы, а целая совокупность состояний, согласных с законами сохранения и принципами, а также связями, наложенными на систему, то реализуется то состояние, которому соответствует минимальное рассеивание энергии, или, что то же самое, минимальный рост энтропии («рыба ищет, где глубже, а человек — где лучше»).

Принцип минимума диссипации энергии является частным случаем более общего принципа «экономии энтропии».

В природе все время возникают структуры, в которых энтропия не только не растет, но и локально уменьшается. Этим свойством обладают многие открытые системы, в том числе и живые, где за счет притока извне вещества и энергии возникают так называемые квазистационарные (стабильные) состояния.

Таким образом, если в данных конкретных условиях возможны несколько типов организации материи, согласующихся с другими принципами отбора, то реализуется та структура, которой соответствует минимальный РОСТ энтропии. Так как убывание энтропии возможно только за счет поглощения внешней энергии, то реализуются те из возможных форм организации материи, которые способны в максимальной форме поглощать энергию.

Область применения принципа минимума диссипации энергии непрерывно расширяется. На протяжении всей истории человечества стремление овладеть источниками энергии и вещества было одним из важнейших стимулов развития и устремления человеческих интересов. И поэтому всегда было источником разнообразных конфликтов.

По мере развертывания научно-технического прогресса, истощения природных ресурсов возникает тенденция к экономному расходованию этих ресурсов, возникновению безотходных технологий, развитию производства, требующего небольших энергозатрат и материалов.

Если говорить об иерархии принципов отбора, то он играет роль как бы завершающего, замыкающего принципа: когда другие принципы не выделяют единственного устойчивого состояния, а определяют целое их множество, то этот принцип служит дополнительным принципом отбора. Проблема экономии энтропии, этой меры разрушения организации и необратимого рассеяния энергии, решается в мире живой природы. Существует теорема о минимуме воспроизводства энтропии, которая утверждает, что производство энтропии системой, находящейся в стационарном состоянии, достаточно близком к равновесному состоянию, минимально. Этот принцип можно рассматривать в качестве универсального. В живом веществе он проявляется не как закон, а как тенденция. В живой природе противоречие между тенденцией к локальной стабильности и стремлением в максимальной степени использовать внешнюю энергию и материю является одним из важнейших факторов создания новых форм организации материального мира.

РЕДУКЦИОНИЗМ

Редукционизм — стремление свести объяснение сложного через более простое. Это есть некоторый своеобразный образ мышления, и он пронизывает все науки, в разной степени, но все. Редукционизм есть способ сведения сложного к анализу явлений более простых и является мощнейшим средством исследования, Он позволяет изучать явления самой различной физической природы. Часть физиков глубоко убеждены, что все свойства микромира уже закодированы в моделях микромира. Редукционизм как особенность мышления возник, вероятно, в процессе эволюции, однако прививается человеку в процессе обучения — это объяснение «на пальцах».

Модельные конструкции физиков — это и есть редукционизм. Он породил своеобразный метод, анализа, позволяющий связывать надежными логическими переходами различные этажи этого здания моделей, которое выстраивается физикой. Он позволяет изучить сложные явления самой различной физической природы. Однако было бы ошибкой считать, что он является универсальным и любые сложные явления могут быть познаны с помощью расчленения их на части и исследования их отдельных составляющих.

Явление редукционизма достаточно глубоко проникло в различные области естествознания. Б. Рассел сказал однажды, что, как это ни удивительно, но все свойства живого существа можно предсказать однажды, ибо они однозначно определяются особенностями электронных оболочек атомов, в него входящих.

ТЕМА 11. ХИМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ. ЭНЕРГЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ. РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ ВЕЩЕСТВ

ФОРМЫ ДВИЖЕНИЯ МАТЕРИИ

Окружающий нас мир богат своими формами и многообразием происходящих в нем явлений. Все. существующее представляет собой различные виды движущейся материи, которые находятся в состоянии непрерывного движения и развития. Движение как постоянное изменение присуще материи в целом и каждой ее мельчайшей частице. Можно выделить следующие формы движения материи:

? нагревание и охлаждение тел;

? излучение света;

? электрический ток;

? химические превращения;

? жизненные процессы и т.д.

Формы движения характеризуются тем, что одни могут переходить в другие, например, механическое движение может переходить в тепловое, тепловое — в химическое, химическое — в электрическое и т.д. Эти переходы свидетельствуют о единстве и непрерывной связи качественно разных форм материи. Но при всех разнообразных переходах одних форм движения в другие соблюдается основной закон природы — закон вечности материи и ее движения, который распространяется на все виды материи и все формы ее движения: ни один из видов движения материи и ни одна из форм ее движения не могут быть получены из ничего и превращены в ничто.

ВЕЩЕСТВА И ИХ СВОЙСТВА

Веществом называется отдельный вид материи, обладающий при данных условиях определенными физическими свойствами. Примеры вещества: кислород, вода, железо.

Для того чтобы установить свойства вещества, нужно иметь его в чистом виде, но в чистом виде вещества в природе не встречаются. Природные вещества представляют из себя смеси, состоящие иногда из очень большого числа различных веществ. Так, например, природная вода всегда содержит растворенные в ней соли и газы. Иногда очень малое содержание примеси может привести к очень сильному изменению некоторых свойств вещества. Например, содержание в цинке лишь сотых долей железа или меди ускоряет его взаимодействие с соляной кислотой в сотни раз. Когда одно из веществ находится в смеси в преобладающем количестве, вся смесь обычно носит его название.

Чистое вещество всегда однородно, смеси же могут быть однородными и неоднородными. Однородными называются смеси, в которых ни непосредственно, ни при помощи микроскопа нельзя обнаружить частиц этих веществ вследствие ничтожно малой их величины. Такими смесями являются смеси газов, многие жидкости, некоторые сплавы. В неоднородных смесях неоднородность можно обнаружить при помощи микроскопа или даже невооруженным глазом. Примерами неоднородных смесей могут служить различные горные породы, почва, пыльный воздух, мутная вода. Кровь, например, тоже относится к неоднородным смесям, и при рассмотрении в микроскоп можно увидеть, что она состоит из бесцветной жидкости, в которой плавают красные и белые тельца.

Химическая промышленность выпускает химические продукты, которые также содержат какое-то количество примесей. Для указания степени их чистоты существуют специальные обозначения, или квалификация:

? технический (техн);

? чистый (ч.);

? чистый для анализа (ч.д.а.);

? химически чистый (х.ч.);

? особо чистый (о.ч.).

Продукт с квалификацией «техн» обычно содержит значительное количество примесей, «ч.» — меньше, «ч.д.а.» — значительно меньше, «х.ч.» — меньше всего. С маркой «о.ч.» выпускаются лишь некоторые продукты. Допустимое содержание примесей в химическом продукте той или иной квалификации устанавливается государственными стандартами.

Ежедневно мы можем видеть, как вещества подвергаются различным изменениям, например, свинцовая пуля, ударившись о камень, нагревается так сильно, что свинец плавится, превращаясь в жидкость; стальной предмет, находящийся под действием влаги, покрывается ржавчиной; дрова в печи сгорают, оставляя кучку пепла, опавшие листья деревьев постепенно истлевают, превращаясь в перегной и т.д.

При плавлении свинцовой пули ее механическое движение переходит в тепловое, но этот переход не сопровождается химическим изменением свинца, так как твердый и жидкий свинец представляет одно и то же вещество. Но если тот же свинец в результате длительного нагревания на воздухе превращается в оксид свинца, то получается новое вещество с совершенно иными свойствами. Точно так же при гниении листьев, появлении ржавчины на стали, горении дров образуются совершенно новые вещества.

Химическими называются явления, при которых из одних веществ образуются другие, новые вещества, а наука, изучающая превращение вещества, называется химией. Она изучает состав и строение веществ, зависимость их свойств от состава и строения веществ, условия и пути превращения одних веществ в другие.

Химические изменения всегда сопровождаются изменениями физическими, поэтому химия и физика тесно связаны. Химия также тесно связана с биологией, так как биологические процессы сопровождаются непрерывными химическими превращениями. Однако каждая форма движения имеет свои особенности, и химические явления не сводятся к физическим процессам, а биологические — к химическим и физическим.

⇐ Предыдущая 17 18 19 20 212223 24 25 26 Следующая ⇒