12.Основные законы термодинамики

Химическая термодинамика базируется на основных законах термодинамики - науки, изучающей тепловую форму движения мате-рии в связи с физическими явлениями. Первый закон термодинамики (закон сохранения энергии) в применении к термодинамическим процессам устанавливает, что если в каком-нибудь процессе энергия одного вида исчезает, то вместо нее появляется энергия в другой форме и количестве, строго эквивалентном первому, откуда следует, что в любой изолированной системе общий запас энергии сохраняется постоянным. Этот закон устанавливает связь между изменением внутренней энергии и полученной или выделенной системой энергией. В любом процессе приращение внутренней энергии какой-нибудь системы равно количеству сообщенной системе теплоты минус количество работы, совершенной системой. На первом законе термодинамики основывают расчеты тепловых эффектов химических реакций. Второй закон термодинамики определяет возможность и на-правление самопроизвольных (без затраты работы извне) процессов в рассматриваемой системе при заданных условиях. При этом последние выступают как факторы интенсивности, характеризующие потенциал данного вида энергии (температура, давление, потенциал электрического заряда, химический потенциал и т. п.) и факторы емкости (количество вещества, объем и т.д.). Установлено, что самопроизвольное протекание процессов взаимодействия между различными частицами системы можно только в направлении фактора интенсивности для всех частей системы; дос-тижение одинакового значения этого фактора является пределом самопроизвольного течения процесса в данных условиях и, следовательно, условием равновесия. Для изолированных систем критерием самопроизвольного совершения процессов служит возрастание энтропии системы, поэтому процесс может идти самопроизвольно только до такого состояния, при котором энтропия характеризируется максимальным для данных условий значением. Третий закон термодинамики отражает принцип недостижимости с помощью конечного числа операций абсолютного нуля темпе-ратуры, поскольку теплоемкость всех веществ при приближении к аб-солютному нулю становится бесконечно малой. Он также связан с энтропией, что нашло отражение в одной из его формулировок: при абсолютном нуле энтропия правильно образованного кристалла любого элемента или соединения в чистом состоянии равна нулю, а при любом другом состоянии вещества его энтропия больше нуля.

13. Порядок и беспорядок в природе

Здесь необходимо остановиться на терминологии. Что такое порядок и беспорядок, хаос? Порядок – регулярное (периодическое) расположение частиц, объектов, предметов по всему занимаемому пространству (объему); последовательный ход чего-нибудь; правила, по которым совершается что-нибудь; числовая характеристика той или иной величины. Это исходное понятие теории систем, означающее определенное расположение элементов или их последовательность во времени. Хаос (греч.) – полный беспорядок, нарушение последовательности, стройности, неразбериха, неопределенное состояние вещества. В физику понятие хаоса ввели Больцман и Гиббс.

Многие считают, что эти понятия не имеют отношения к реальной картине Мира и придают им оценочное (эмоциальное) значение. Относительность этих понятий очевидна. Ночью, взглянув на небо, мы видим хаос из блестящих точек. Но, взглянув на небо в телескоп, мы понимаем, что там есть порядок в виде звездных систем, галактик и т.д. По мнению древних греков, космос характеризовался такими словами, как порядок, гармония, красота, и выполнял две функции – упорядочивающую и эстетическую, т.е. имел структурную организацию и одухотворенность. Происхождение космоса – акт творения его из беспорядка (хаоса), представлялся как процесс "лепки", совершаемой божественным умом. Философ Анаксагор писал: "Все вещи были вперемешку, бесконечные по множеству и по малости, так как и малость была бесконечной. И пока все было вперемешку, ничто не было ясно различимо: все обнимал аэр (туман) и эфир, оба бесконечные. Ибо изо всех тел, которые содержатся во Вселенной, эти два самые большие и по малости и по величине. Ум же есть нечто неограниченное и самовластное и не смешан ни с одной вещью, но единственный сам по себе... И совокупным круговращением мира правит ум, так что благодаря ему круговращение вообще началось".

Современное представление наделяет хаос неопределенностями, движением в форме несогласованных изменений (флуктуаций) любых количественных характеристик, вводит формальные понятия связанных степеней свободы, где под степенями свободы понимается количество независимых параметров движения, параметров состояния. В хаотическом состоянии не образуется устойчивых во времени структур, отсутствуют согласованные направленные процессы.

Категорией противоположной хаосу является антихаос, или порядок. Под порядком сегодня понимают наличие в системах устойчивых движений, существование "закономерности", "запоминаемость" определенных конфигураций. Одним из основных признаков упорядоченного состояния является уменьшенное по сравнению с хаотическим числом параметров, определяющих это состояние, наличие связей в системе и согласований между параметрами. С точки зрения кодирования, порядок требует меньшего количества символов для записи состояния, чем беспорядок.

В греческой мифологии слово chaos означало первобытное состояние мира, из которого образовался космос – мир, мыслимый как упорядоченное единство. Оппозиция хаос-космос аналогична диадам тьма-свет, земля-небо, натура-культура. В современном представлении хаос – беспорядочное, бесформенное, неопределённое состояние вещей, так что антитезой хаосу обычно является порядок, причём хаос – это бесструктурность, неустойчивость, стихийность; порядок – это структурность, устойчивость, организованность. Отчётливо напрашивается вывод, что хаос – это плохо, а порядок – это хорошо.

Однако, как сказал Антуан де Сент-Экзюпери, "Жизнь создаёт порядок. Порядок же бессилен создать жизнь". А Поль Валери ещё в 1919 г. предупреждал: "Две опасности не перестанут угрожать миру: порядок и беспорядок". Абсолютный порядок и абсолютный хаос одинаково грозят гибелью. Выходит, что при всём стремлении к упорядочению какая-то доля хаоса для жизни необходима.

Жизнь течёт неравномерно. Спокойные периоды сменяются напряжёнными критическими состояниями, когда решается, каким будет дальнейший путь. В такие моменты определяющую роль играет не порядок, а хаос. И без этой неупорядоченной, неконтролируемой, случайной компоненты были бы невозможны качественные изменения, переходы в существенно новые состояния.

По существу порядок и хаос это лишь крайние состояния одного и того же явления – состояние эволюционирующей материи, которая беспрерывно и направлено самоорганизуется. Сама эволюция носит сложный характер и не является ни полностью упорядоченным, ни полностью разупорядоченным процессом. В этом смысле она как бы подчиняется законам гармонии между порядком и хаосом, смысл которых отражает понятие "золотого сечения", введенного много веков назад Птолемеем для обозначения пропорциональности правильного телосложения.

Так проявляется конструктивная роль хаоса. Е. Н.Князева, раскрывая синергетическое представление о хаосе, пишет:

1) хаос необходим для выхода системы на один из аттракторов;

2) хаос лежит в основе механизма объединения простых структур в сложные путём синхронизации темпов развития;

3) хаос – механизм переключения режимов, средство борьбы со смертью.

16. Если спросить первого встречного на улице, что он знает о происхождении вселенной, скорее всего вы услышите: «эээ… большой взрыв вроде был или типа того…». Более подробной информации – что взорвалось, почему, и что было до этого «взрыва» почти никто вам не предоставит. Кроме того, мало кто знает, что эта теория очень стара – не так далеко до празднования 100-го дня рождения – и наука уже сделала много шагов (в том числе ложных и позже отвергнутых) в этом направлении.

Сам термин «The Big Bang» («большой бабах») был впервые использован Фредом Хойлом на популярном радио шоу «Би-би-си», когда он, насмехаясь над этой теорией, отстаивал свою – теорию стационарной, неизменной вселенной. С тех пор термин используется вполне серьезными людьми, и больше не вызывает смеха (разве что при ассоциации со всеми любимым сериалом о Шелдоне и Леонарде).