3. Термодинамические процессы. Энтропия и негэнтропия.

А) Общая характеристика термодинамики. Возникновение термодинамики определяется как внутренними исследовательскими задачами науки, так и трансформацией ее философско-мировоззренческих установок. В мировоззрении науки прочно утверждается образ мира-машины. Причем аристократически-изысканный образ божественного часового механизма полностью заменяется образом сконструированной и работающей по неумолимым законам природы машины. (Можно добавить, что такие изменения, конечно, связаны с созданием и использованием тепловых двигателей и необходимостью исследования их работы.)

Эти мировоззренческие новации неразрывно связаны с изменением предмета и характера самого научного исследования. Когда от изучения феномена движения физика переходит к более глубокому уровню – феномену энергии, возникает новый раздел физического знания – термодинамика. Достаточно абстрактное понятие энергии заменяет достаточно очевидное понятие силы. Физическое исследование обращается к тепловым явлениям, и центральное место в физике занимают законы сохранения, важнейшим среди которых является закон сохранения энергии.

Предметом физики становятся системные объекты. Понятие массы перестает играть какую бы то ни было существенную роль. Вырабатываются понятия, обозначающие характеристики меры, соразмерности, которые намного важней для машины, чем понятия массы или даже движения. К таким понятиям относятся: теплота – энергия движения молекул покоящегося тела, «работа» (А) – мера действия силы, количество теплоты (Q) – мера изменения внутренней энергии тела и энергия (Е) – общая количественная мера различных форм движения материи.

Термодинамика – наука, изучающая наиболее общие свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия и процессы перехода между этими состояниями. Со временем объектом изучения становятся и неравновесные системы. Создается особая термодинамика неравновесных систем. А во второй половине XX века – макротермодинамика.

Термодинамическая система – макроскопическая система, выделенная из окружающей среды при помощи перегородок и оболочек, которую можно охарактеризовать таким макроскопическими параметрами как: объем, температура, давление и др. Наличие этих параметров говорит о том, что термодинамическая система должна состоять из большого числа частиц.

Три начала термодинамики:

1. О том, что энергия сохраняется, но в изолированной системе. (Переформулированный закон сохранения энергии.) При сообщении телу некоторого количества теплоты, она преобразует внутреннюю энергию тела и обеспечивает совершение определенного количества работы. (Q= ∆U+A)

2. О том, что энергия сохраняется в принципе, в природе в целом, но не в отдельной системе, поскольку изолированных систем не существует. В замкнутой термодинамической системе энтропия остается неизменной или возрастает и в состоянии равновесия достигает максимума. Невозможен переход теплоты от более холодных к более теплым телам. Невозможно построит вечный двигатель второго рода (тепловую машину, которая в результате совершения кругового процесса, полностью преобразует теплоту, получаемую от какого-либо одного неисчерпаемого источника в работу).

3. О свойствах веществ при низких температурах. Энтропия физической системы при стремлении температуры к абсолютному нулю не зависит от параметров системы и остается неизменной. Недостижим абсолютный нуль температуры при конечной последовательности термодинамических процессов. Невозможно создать вечный двигатель первого рода (непрерывно действующую машину, которая, будучи раз запущенной, совершала бы работу без получения энергии извне).

Термодинамика, во-первых, выдвигает феномен хорошо организованного, отлаженного усилия – работы – в центр физической картины мира, потеснив тем самым понятия «движения». (Мир движется, работая, или только работая, мир может двигаться.) И, во-вторых, устанавливает сложный тип связи между энергией и результатом действия. Чем мощней энергия, тем кратковременней действие. Второе неразрывно связано с понятием энтропии и выводит физику на границы, отделяющие (или соединяющие) ее с биологией. И не случайно, ведь энергия и теплота – неотъемлемые атрибуты живых систем.

Б) Понятие энтропии и негэнтропии. Основное свойство макросистем заключается, как говорилось, в том, что его свойства не определяются свойствами составляющих его элементов. Но условность такого определения очевидна и с развитием науки, прежде всего термодинамики, становится эмпирическим фактом. Но отношение это не является простым суммированием. Попытки прояснения этого отношения рождают понятие энтропии.

Энтропия(S) (от гр.: поворот, превращение) – функция состояния термодинамической системы, мера вероятности пребывания системы в данном состоянии. Энтропия пропорциональна числу микросостояний, реализующих данное макросостояние. Чем больше это число, тем выше величина вероятности достижения именно такого макросостояния.

Далее формулируется закон возрастания энтропии. Этот закон выражает необходимость перехода системы в наиболее вероятное состояние, для которого характерна максимальная степень неупорядоченности. Изменение энтропии определяется отношением количества теплоты подведенной к – или отведенной от – системы к ее термодинамической температуре.

Можно сказать, что при изучении термодинамических процессов обнаруживается совершенно необычный эффект, сопровождающий особый вид движений – тепловых изменений, который и был назван энтропией. Тепло никогда совершенно не переходит в механическую работу, а частично преобразуется в другие виды энергии, и частично «теряется». В замкнутой системе при обратимых процессах величина энтропии остается неизменной, при необратимых, наоборот, неуклонно возрастает. Причем этот прирост происходит за счет уменьшения механической энергии.

На основе этих представлений к началу XX века формируется концепция «тепловой смерти» Вселенной. Если все то множество необратимых процессов, которое происходит в природе, сопровождается уменьшением механической энергии, то, в конечном счете, все должно привести ко всеобщему параличу, или, говоря иначе «тепловой смерти Вселенной».

Но такой вывод правомочен лишь в случае постулирования тоталитарности Вселенной как замкнутой эмпирической данности. На самом деле абсолютно замкнутых систем не бывает. Большинство систем являются незамкнутыми или открытыми, и, прежде всего, это живые системы. Основой изучения таких систем является термодинамика неравновесных систем.

Можно заметить, что задача исследования открытых неравновесных систем инициирована не только научными соображениями, но и необычными мировоззренческими потребностями. В начале XX века христианские теологи, основываясь на энтропии, стали говорить о конечности мира, используя ее как доказательство существования Бога. Атеистический пафос этого века не мог не способствовать деструкции образа замкнутых систем.

В результате энтропию в самом широком смысле стали понимать как внутреннюю энергию замкнутой системы или энергетической совокупности Вселенной, которая не может быть использована, в частности не может быть переведена или быть преобразована в механическую работу. Точное же (не метафорическое) определение энтропии производится с помощью математических расчетов.

Итак, анализ работы тепловых двигателей вывел асимметрию в поведении природы – при любом естественном процессе энтропия мира возрастает, и все такие процесс должны сопровождаться рассеянием энергии. Но при этом процесс рассеяния оказывается не только потерей, но и особым приобретением. Рассеивание сберегает, не позволяет полностью «выработать» энергию мира.

Если с течением времени энтропия в замкнутой изолированной системе либо неизменна, либо возрастает, то избежать смерти системы можно за счет распределения энергии по рангам так, что высший занимают те, которые способны превратиться в большее число видов энергии (физическая, электрическая, тепловая, химическая, биологическая и т.п.). То есть можно сказать, что рассеяние означает распространение энергии как путем перемещения носителя энергии, так и путем перехода от одного ее вида к другому.

Поскольку наш ум привык негативно воспринимать потерю чего-либо, то психологически удобно пользоваться величиной, равной энтропии, но с обратным знаком, которую предложил ввести О. Шредингер. Один из творцов теории информации французский физик Л. Бриллюэн назвал ее негэнтропией: N = -S.

Негэнтропия представляет собой качество энергии, когда ее оценивают на основе принципа Карно и формулируют закон обесценивания энергии, ее деградации. Система, способная производить механическую работу (сжатая пружина, заряженная батарея, поднятый над землей груз и т.п.), может рассматриваться как источник негэнтропии, поскольку, совершая работу, она теряет ее запас.

В) Энтропия, хаос, информация. Формула, сопоставляющая энтропию и негэнтропию, связывает энтропию с хаосом. Замкнутая система не только действенна, но и саморазрушительна. Принятие понятия негэнтропии – попытка определить степень деструктивности и противостоять ей. Негэнтропия – это возможность системы сохраняться при росте энтропии.

В замкнутой системе мы не знаем точного положения и скорости в каждый момент времени каждой частицы. Мы знаем только макропараметры: давление, температура и др. Но величины можно измерить, вычислить энтропию системы и число «микроскопических комплексий», как называл число микросостояний М. Планк. А значит, возможно рассчитать параметры негэнтропии. В количественном отношении негэнтропия есть выражение границ допустимой потери энергии, в которых не уничтожается сама система.

В этом случае важным становится понятие информации, и термодинамика оказывается в необычной связи с кибернетикой. Чем выше неопределенность в знании, тем больше число возможных микросостояний для данного макросостояния, тем больше вероятность и тем больше энтропия. Получение каких-либо дополнительных сведений о системе позволяет точнее охарактеризовать ее структуру, сократить число элементарных состояний, уменьшить вероятность и энтропию. Поэтому любая дополнительная информация увеличивает негэнтропию системы.

Фактически, рассчитывая энтропию и негэнтропию, мы должны рассчитать число способов, которыми можно осуществить внутренние перестройки в системе, чтобы наблюдатель не заметил изменений, или чтобы они не изменили характеристики микросостояния системы. (При этом предполагается неотличимость атомов друг от друга).

Формируется понятие информационной энтропии. Продемонстрировать значение этого понятия можно с помощью следующего примера. При охлаждении газа до температуры абсолютного нуля (что недостижимо), он сначала переходит в жидкое состояние, а затем – в твердое, т.е. из менее упорядоченного состояния – в более упорядоченное. Соответственно растет информация о расположении частиц, и она становится максимальной при приближении к абсолютному нулю – ведь в твердом теле все частицы занимают определенные положения. Поэтому информация эквивалентна отрицательной энтропии, или негэнтропии.

Но следует признать, что возможности использования понятия информационной энтропии являются пока ограниченными. Взаимное превращение негэнтропии и информации возможно, но интересно поставить эксперимент, порождающий информацию, чтобы использовать ее в дальнейшем для уменьшения энтропии системы. При попытке спроектировать такой эксперимент, выясняется, что требуется слишком большое количество информации выраженной в битах, которое нужно для привнесения практического вклада в противостояние энтропии.

Информация призвана компенсировать рост энтропии, поэтому ею можно дополнить закон неограниченного роста энтропии и превратить второе начало термодинамики в закон сохранения энтропии и информации. Это в свою очередь дает возможность использовать информационный подход для единого описания неживой и живой природы.

Г) Энтропия, негэнтропия и информация как понятия, связующие знания о неживом и знания о живом. Поскольку информация в самом общем виде понимается как мера выбора из множества возможных вариантов, то информационный подход оказывается удобен при изучении эволюционных процессов, и информация становится мерой изменения состояния системы при усложнении и развитии.

Термодинамический подход становится данностью не только физического, но и биологического знания. Прежде всего он реализуется в экологии. Он составляет основу исследования цепей питания (последовательностей передачи массы и энергии, или веществ и энергии), загрязнения среды и экологической смены сообществ. (Такого рода исследования образуют новую научную дисциплину – макротермодинамику.)

Живые системы можно рассматривать как стационарные, поскольку количество энергии, поступающей на вход преобразователя равно количеству энергии выходящей. Причем когда речь идет о живых системах, то имеется в виду не столько отдельный организм или особь, сколько виды и подвиды. Количество энергии, потребляемой травоядными животными за год, составляет 3368 ккал/м², и оно в точности равно отдаваемой ими энергии. Из нее 1478 ккал усваиваются низшими хищниками, а 1890 ккал теряется в виде тепла при жизнедеятельности.

Кроме того, количество, энергии, передаваемой на следующий трофический уровень, всегда меньше энергии, полученной предыдущим уровнем. Если растения получают 410 тыс. ккал, из которых 3368 ккал достается травоядным, то на долю верхних хищников приходится только 21 ккал в год (в расчете на 1м²).

Эта «расточительность» может быть представлена в виде «энергетической пирамиды» – передачи энергии от продуцентов (первое звено пищевой цепи, образованное организмами, способными производить органические вещества их неорганическим с помощью фотосинтеза и хемосинтеза), к консументам (организмы, являющиеся в пищевой цепи потребителями органических веществ). Она имеет четыре уровня: энергия Солнца, продуцирование люцерны, продуцирование говядины, увеличение массы тканей человека. От низшего уровня к высшему уменьшается не только количество особей, но и скорость метаболизма.

Появляется возможность делать выводы, далеко выходящие за рамки механицистски понятой термодинамики. а) Малые животные обладают самой большой скоростью обмена веществ, поэтому в день потребляют пищу, по количеству равную весу тела. б) Крупное животное потребляет энергии количественно больше, чем два половинных существа. в) Первый шаг в производстве энергии, является наименее эффективным.

И, наконец, в исследовании человеческой культуры понятия энергии, энтропии, негэнтропии и информации получают совершенно особое наполнение и при этом «встраивают» культуру в единый эволюционный процесс.