3.2.3. Концепции термодинамики. Синергетика

В основу термодинамики положены три закона, иногда называемые началами.

Первый закон термодинамики по сути является выражением закона сохранения и превращения энергии и утверждает: «количество теплоты , полученное системой, расходуется ей на совершение механической работы А и на изменение собственной внутренней энергии , то есть ». Из этого закона следует, что невозможно создать такую машину или механизм, который бы совершал работу, не потребляя энергии извне. Так что вечный двигатель первого рода, согласно этому закону, невозможен.

Второй закон термодинамики устанавливает возможность протекания процессов в природе. Он имеет несколько формулировок, вот некоторые из них.

Согласно формулировке Кельвина «невозможны такие процессы, единственным результатом которых было бы полное превращение теплоты в работу». К примеру, в тепловых машинах молекулы газа, получив тепло (энергию) от нагревателя, начинают двигаться с огромными скоростями. Но, вследствие хаотичного характера движения, работу совершают только те, которые ударяют по поршню, заставляя его двигаться и вращать колеса автомобиля. Остальные, не израсходовав своей энергии, будут выброшены в атмосферу при обратном ходе поршня и унесут с собой зря полученную энергию . Таким образом, полезная работа тепловой машины , а следовательно к.п.д. любой тепловой машины всегда меньше 100%.

Согласно формулировке Клаузиуса «невозможны такие процессы, при которых самопроизвольно тепло переходило бы от более холодных тел к более горячим». Действительно, если опустить холодную ложку в горячий чай, то она нагреется и система сама перейдет в равновесное состояние с одинаковой температурой. Обратный процесс оказывается невозможным. Такие процессы называют необратимыми и к ним относятся все явления переноса.

Общая формулировка второго закона термодинамики утверждает: «В замкнутой системе возможны только такие самопроизвольные процессы, при которых энтропия системы возрастает или не изменяется».

Энтропия S – это функция состояния системы, которая определяется степенью беспорядка в этой системе (хаоса). Согласно Больцману, энтропия связана с термодинамической вероятностью соотношением: . Термодинамическая вероятность – это число микросостояний (способов), с помощью которых может быть реализовано данное макросостояние. В отличие от математической вероятности, которая может принимать только значения от 0 до 1, термодинамическая вероятность принимает значения от 1 до .

Максимальные значения энтропия принимает в газообразном состоянии, когда молекулы распределены равномерно по всему объему и движутся совершенно беспорядочно, то есть система находится в состоянии полного хаоса. Перейти из газообразного состояния в жидкое, то есть из состояния полного хаоса в более упорядоченное состояние в жидкости, а значит уменьшить свою энтропию система самостоятельно не сможет. Для этого необходимо совершать работу извне, т.е. строить «Кислородные заводы».

Третий закон термодинамики утверждает: «С понижением температуры Т энтропия системы понижается и при энтропия стремится к нулю».

Процессы перехода системы в состояние с большей энтропией, т.е. переход системы от порядка к хаосу, происходят самопроизвольно. К примеру, если открыть флакон с духами, то постепенно молекулы духов распространятся равномерно по всему помещению и, следовательно, из упорядоченного состояния в жидкости с меньшей энтропией, перейдут в газообразное (хаотичное) состояние с большей энтропией. Собраться же назад во флакон они самостоятельно уже не смогут, так как это противоречит второму началу термодинамики. «Процессы, при которых система самопроизвольно переходит из одного состояния в другое с уменьшением энтропии (т.е. от хаоса к упорядоченному состоянию), в замкнутых системах невозможны».

Если система неравновесная и незамкнутая, то есть, открыта для поступления извне энергии, вещества и информации, то она подчиняется законам неравновесной термодинамики. Наука, которая занимается изучением процессов, происходящих в открытых неравновесных системах, называется синергетика.

Основополагающей идеей синергетики является возникновение в открытой неравновесной системе механизма самоорганизации, за счет которой система самопроизвольно переходит от хаоса в упорядоченное состояние.

Для «включения» механизма самоорганизации необходимо выполнение следующих условий:

• система должна состоять из большого числа подсистем или компонентов, взаимодействия и функционирование которых отражаются на поведении системы в целом;

• система должна быть открытой для поступления извне энергии, вещества и информации за счет чего и происходят процессы самоорганизации и образование упорядоченных структур из хаоса;

• система должна быть неравновесной и находиться вдали от состояния равновесия, поскольку самоорганизация включается только после прохождения системой некоторого критического порогового состояния;

• система должна быть неустойчивой, чтобы могли возникать флуктуации, так как именно они играют определяющую роль в образовании локальных структур: пространственных, временных, пространственно-временных.

Процессы самоорганизации в открытых неравновесных системах приводят к необратимому разрушению старых структур и к образованию новых, обладающих более высокой организацией. Эти процессы не нарушают законов сохранения. Они совершаются за счет энергии, поступающей извне, а понижение энтропии новых более упорядоченных структур обеспечивается отводом излишней энтропии в окружающую среду.

Момент, предшествующий началу образования упорядоченных структур, т.е. качественного изменения исходной системы, называют точкой бифуркации (катастрофы). В точке бифуркации система имеет несколько потенциально возможных практически равновероятных направлений эволюции системы. Выбор пути, по которому пойдет развитие системы, определяется случайными флуктуациями. В точке бифуркации система находится так далеко от состояния равновесия, что достаточно незначительного внешнего воздействия, чтобы направить систему по тому или иному направлению. Поэтому разработка методов управления эволюцией неравновесных систем является одной из основных задач синергетики.

Методы синергетики в значительной степени пересекаются с методами теории колебаний и волн, термодинамики неравновесных процессов, теории катастроф, теории фазовых переходов, статистической физики, теории самоорганизации, системного анализа и др.

Расчеты и компьютерное моделирование, проведенные в рамках неравновесной термодинамики и синергетики для различных процессов, в частности для турбулентного движения жидкости и когерентного излучения лазера, находятся в удовлетворительном согласии с опытом, т.е. реально наблюдаемыми процессами. Одним из наиболее ярких визуально наблюдаемых примеров возникновения самоорганизации в системе является химическая реакция Белоусова-Жаботинского. В 1951 году они установили, что в растворе серной и малоновой кислот, сульфата церия и бромида калия при добавлении индикатора цвета ферроина самопроизвольно возникают изменяющиеся в периодической последовательности окислительно-восстановительные реакции и раствор периодически изменяет цвет с малинового на синий, затем опять малиновый, синий и т.д. Поскольку реакция идет в закрытой системе, она, не получая извне вещества, приходит в конце концов к состоянию равновесия, т.е. заканчивается. И. Пригожин, основоположник неравновесной термодинамики, назвал реакцию Белоусова «одним из важнейших экспериментов нашего века».

Синергетика – это молодая, но очень быстро развивающаяся наука. Ее идеи и законы, в частности принцип самоорганизации, используют в создании теории формирования звезд и галактик из межзвездной газопылевой материи; в теории зарождения живой клетки – как основы жизни на Земле; а также в экологии, истории, экономике, социологии, климатологии и т.д. На принципах синергетики, в частности на принципе самоорганизации и саморазвития сложных систем, в настоящее время разрабатывается синтетическая теория эволюции и формируется концепция глобального эволюционизма. В этой концепции Вселенная предстает как развивающееся во времени природное целое, а вся история Вселенной от Большого Взрыва до возникновения человечества рассматривается как единый процесс, в котором космический, химический, биологический и социальный типы эволюции преемственно и генетически связаны между собой. Согласно данной теории космохимия, геохимия и биохимия отображают фундаментальные переходы в эволюции молекулярных систем и неизбежность их превращения в органическую материю. В концепции глобального эволюционизма подчеркивается важнейшая закономерность – это направленность развития мирового целого на повышение своей структурной организации. Вся история Вселенной от момента сингулярности до возникновения человека предстает как единый процесс материальной эволюции, самоорганизации, саморазвития материи.