53.Динамические и статистические законы

Наука исходит из признания того, что все существующее в мире возникает и уничтожается закономерно, в результате действия определенных причин, что все природные, социальные и психические явления связаны между собой причинно-следственными связями, а беспричинных явлений не бывает. Такая позиция называется детерминизмом в противоположность индетерминизму, отрицающему объективную причинную обусловленность явлений природы, общества и человеческой психики.

Физика знает два типа физических законов (теорий) – динамические и статистические законы.

Динамический закон – это физический закон, отображающий объективную закономерность в форме однозначной связи физических величин, выражаемых количественно.

Динамическая теория - физическая теория, представляющая совокупность динамических законов.

Исторически первой и наиболее простой теорией такого рода явилась классическая механика Ньютона. Она претендовала на описание механического движения, т.е. перемещения в пространстве с течением времени любых тел или частей тел друг относительно друга с какой угодно точностью. Еще одной динамической теорией является электродинамика Максвелла. Другими динамическими теориями являются механика сплошных сред, термодинамика и общая теория относительности (теория гравитации).

Долгое время считалось, что никаких других законов, кроме динамических, просто не существует. Это было связано с установкой классической науки на механистичность и метафизичность, со стремлением построить любые научные теории по образцу механики Ньютона.

Такая позиция, связанная с отрицанием случайностей любого рода, с абсолютизацией динамических закономерностей и законов, называется механическим детерминизмом. Формулирование этого требования в жесткой форме обычно связывают с именем Пьера Лапласа.

Необходимость отказа от классического детерминизма в физике стала очевидной после того, как выяснилось, что динамические законы не универсальны и не единственны. .

В середине XIX в. в физике были сформулированы законы, предсказания которых не являются определенными, а только вероятными. Они получили название статистических законов.

Представление о законах и закономерностях особого типа, в которых связи между величинами, входящими в теорию, неоднозначны, впервые ввел Максвелл в 1859 г. при построении статистической механики – первой фундаментальной теории нового типа. Для этого Максвелл ввел в физику понятие вероятности, выработанное ранее математиками при анализе случайных явлений, в частности азартных игр.

При бросании игральной кости, как мы знаем, может выпасть любое число очков от 1 до 6. Предсказать, какое число очков выпадет при данном броске кости, нельзя. Мы можем подсчитать лишь вероятность выпадения любого числа очков. В данном случае она будет равна 1/6.

Статистические законы, в отличие от динамических законов, отражают однозначную связь не физических величин, а статистическое распределение этих величин.

Сегодня любой известный в природе процесс более точно описывается статистическими законами. Но окончательно это стало ясно после создания квантовой механики – статистической теории, описывающей явления атомарного масштаба, то есть движение элементарных частиц и состоящих из них систем. Тогда была выяснена принципиальная невозможность динамического описания этих процессов.

54. Основы термодинамики. Когда мы говорим о сохранении энергии в макроскопических процессах, прежде всего имеем в виду механическую, тепловую и внутреннюю энергии, которые зависят от термодинамического состояния.

Наиболее важные положения, на которых строится закон сохранения энергии в макроскопических процессах:

1. Энергия – единая мера различных форм движения материи. Механическая энергия и тепловая энергия – только две из многих форм энергии. Все, что может быть превращено в какую-либо из этих форм, тоже форма энергии.

2. Возможны два качественно различных способа передачи энергии от одного макроскопического тела к другому – в форме работы и путем теплообмена. Макроскопическое тело рассматривается при этом как огромная совокупность микрочастиц. При взаимодействии незначительного числа отдельных микрочастиц эти понятия неприменимы.

4. Изменение энергии тела, осуществленное первым способом, называют работой, совершаемой над этим телом. Передача энергии в форме работы производится в процессе силового взаимодействия тел. Работа, совершаемая над телом, может пойти на увеличение любого вида энергии. Понятие работы связано с упорядоченным движением.

5. Передача энергии путем теплообмена между телами обусловлена различием температур этих тел. Энергия, получаемая телом в форме теплоты, может непосредственно пойти только на увеличение его внутренней энергии. Понятие теплоты связано с неупорядоченным, хаотическим движением.

Формулировки закона сохранения и превращения энергии:

– энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает, количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую;

– при любых процессах, происходящих в замкнутой системе, ее полная энергия не изменяется.

Первый закон (начало) термодинамики

Первый закон термодинамики является законом сохранения энергии применительно к тепловым процессам. Этот закон утверждает:

– невозможно создать вечный двигатель первого рода, который бы производил работу без подведения энергии;

– тепловая энергия, подведенная к замкнутой системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии и работу против внешних сил.

Согласно первому закону термодинамики, могут протекать только такие процессы, при которых полная энергия системы остается постоянной. Например, полное превращение тепловой энергии 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 (начало) термодинамики

Второй закон термодинамики утверждает:

– не может быть создан вечный двигатель второго рода, который бы производил работу за счет тепла окружающей среды, без каких-либо изменений в окружающих телах;

– в природе не может быть процессов, единственным результатом которых было бы превращение теплоты в работу;

– во всех явлениях природы теплота сама переходит от более нагретых тел к менее нагретым телам.

Работу всегда можно превратить в эквивалентное ей тепло (вспомните, как наши предки добывали огонь трением). В то же время тепло в эквивалентную ему работу полностью превратить нельзя. Другими словами, неупорядоченную форму энергии невозможно полностью перевести в упорядоченную. Мерой неупорядоченности, мерой хаоса в термодинамике является энтропия. Энтропия не бывает отрицательной, она всегда положительна, за исключением случая, когда идеальный кристалл находится при абсолютном нуле температуры. Но на этот счет есть третье начало термодинамики, говорящее о недостижимости абсолютного нуля.

Принцип возрастания энтропии

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.

Принцип возрастания энтропии – важнейший принцип термодинамики. Он соответствует стремлению любой системы к состоянию термодинамического равновесия, которое можно отождествить с хаосом. Из этого принципа следует идея "тепловой смерти" Вселенной. Раз все виды энергии деградируют, превращаясь в тепло, то когда-нибудь закончат свое существование звезды, отдав свою энергию в окружающее пространство, и Вселенная придет в самое простое состояние хаоса – термодинамического равновесия с температурой лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля. Не будет источников энергии – не будет жизни, не будет ничего.