lecture-9

Возможны и другие виды превращений, например переход внутренней энергии системы в эквивалентную работу, либо ее передача другому телу в виде теплоты.

Однако, как следует из формулировки 1-го начала, нельзя заставить некоторую систему бесконечно долго совершать полезную работу без передачи ей энергии извне. Это означает, что нельзя создать вечный двигатель первого рода.

Первое начало устанавливает только количественные соотношения, но не оговаривает направление передачи энергии. С точки зрения первого начала совершенно равноправны как нагрев холодного тела при контакте с горячим, так и его дальнейшее охлаждение только за счет передачи от него количества теплоты горячему телу. Например, была бы возможна машина, 'выкачивающая' тепло из окружающих тел и совершающая за его счет работу (вечный двигатель второго рода).

Более глубокий смысл второго начала состоит в том, что замкнутые системы эволюционируют к наиболее устойчивому состоянию, когда все части такой системы приходят в состояние взаимного теплового равновесия. С одной стороны, такое состояние является наиболее вероятным из всех возможных, поскольку при любых малых отклонениях (флуктуациях) от него система вернется в это же состояние. С другой стороны, в этом состоянии система будет максимально однородной для обеспечения равновесия. Таким образом, второе начало термодинамики утверждает непременное возрастание меры хаоса (энтропии) и разрушение упорядоченной структуры (потерю со временем информации) в замкнутых системах.

Возникновение упорядоченных структур связано с ростом информации и, следовательно, с падением энтропии. Упорядоченное состояние менее вероятно, чем состояние термодинамического равновесия, и для того чтобы система пришла в такое «маловероятное» состояние, она или должна быть в начальный момент времени далека от состояния термодинамического равновесия, или неравновесность в ней должна все время поддерживаться внешними воздействиями – т.е. система должна быть открытой.

Равновесие каждого малого элемента открытой системы нарушается из-за протекающих через него потоков энергии. Если эти элементы взаимосвязаны, они образуют так называемую распределенную активную среду, в которой благодаря коллективным эффектам становится возможным формирование различных стационарных или динамических (изменяющиеся во времени) упорядоченных структур.

Таким образом, условия неравновесности и открытости являются необходимыми для нарушения второго начала и возникновения процессов самоорганизации. Из-за особой важности роли коллективных эффектов в этих процессах, изучающее их научное направление получило название

синергетики.

Процессы самоорганизации составляют большой класс явлений в системах разной природы – физических, химических, биологических, социальных. И для всех таких систем характерны непрерывные приток энергии от внешнего источника и ее диссипация (рассеяние), поэтому такие системы также называют диссипативными. Существуют множество относительно простых диссипативных систем: образование волнового рельефа песка под действием дующего ветра, возникновение шестиугольных конвективных ячеек Рэлея-Бенара в жидкости, налитой в сосуд, подогреваемый снизу, в северных сияниях, обусловленных взаимодействием электронов, направляющихся от солнца и захваченных магнитным полем Земли и электронами и ионами ионосферы и др.

Даже в системе с малым числом частиц могут наблюдаться очень сложные движения. В таких системах малые изменения в начальных условиях приводят к почти непредсказуемым изменениям траекторий. Такой характер движения принято определять термином

детерминированный (динамический) хаос, подчеркивая этим отсутствие в системе источников беспорядка. При этом процессы в системе теряют свойство обратимости. Действительно, все основные законы физики обратимы во времени, т.е. если система была выведена из исходного состояния, то возможно и ее возвращение в него. Однако при возникновении динамического хаоса становится необходимым описание эволюции сравнительно простых систем в терминах вероятности, что делает невозможной обратимость таких процессов.