Глава 2.8. Гипотеза тепловой смерти Вселенной.

Основоположники классической термодинамики - Клаузиус и Кельвин – считали, что оба начала термодинамики применимы к любой изолированной системе, в том числе и к Вселенной

Они выдвинули гипотезу: в том случае, если Вселенная представляет собой упорядоченную замкнутую систему и, следовательно, развивающуюся с увеличением энтропии, то она должна «умереть» тепловой смертью. Эта гипотеза вызвала бурную дискуссию, не утихающую до сих пор.

Другой классик – Больцман – согласившись с тем, что Вселенная является замкнутой системой, посчитал более вероятным, что она находится в состоянии равновесия, т.е. хаоса, беспорядка и максимальной энтропии. Существование в ней упорядоченных структур объясняется флуктуациями (случайно сформировавшимися временными зонами порядка). Учитывая масштабы Вселенной, такая флуктуация может существовать миллиарды лет и насчитывать множество галактик, в том числе и нашу галактику. В некоторый момент в прошлом в этой области Вселенной энтропия уменьшилась, а сейчас возрастает. Отсюда вывод: тепловая смерть ждет не всю Вселенную, а отдельные миры в ней. Гипотеза Больцмана была отвергнута, т.к. противоречила данным астрофизики, не обнаружившей галактик в состоянии тепловой смерти и наблюдающей во Вселенной множество процессов, идущих с уменьшением энтропии, то есть увеличение упорядоченности. Сомнение вызывает и рассмотрение Вселенной как изолированной системы, так как ни наблюдать в природе, ни создать абсолютно изолированную систему не удается.

Глава 2.9. Открытые системы, синергетика.

Классическая термодинамика рассматривает тепловые явления в системах с постоянной массой (закрытых системах). Рассматривая реальные природные замкнутые системы, мы видим, что закон неизбежного возрастания энтропии не проявляется. Почему вода на Земле существует в жид­ком состоянии, хотя должна была уже несколько милли­ардов лет тому назад перейти в пар — состояние с макси­мальной энтропией? Потому что это было бы возможно только в полностью изолированной системе. Вода есть система из бесчисленного множества молекул. Но она вза­имодействует с окружающей средой, в частности с воздухом. Вместе они образуют новую систему, в которой яв­ляются всего лишь отдельными телами. И эти тела ни­чем не изолированы друг от друга, поэтому их энтропия стремится к наиболее вероятному состоянию в конкрет­ных земных условиях. Закрытые изолированные системы существуют только как идеальные мысленные системы. Все реально существующие системы изолированными не являются, так как полностью исключить возможность обмена разных систем веществами и/или энергией невозможно. Большая часть систем в природе обмениваются с окружающей средой не только энергией, но и массой (например, при дыхании организм получает кислород и выдыхает углекислый газ), то есть являются открытыми. Этим обменом веществами и энергией каждая система связана с множеством других систем. При этом каждая система является окружающей средой для более элементарных систем (подсистем) и одновременно подсистемой, составной частью для системы более высокой иерархии (надсистемы). Таким образом, все реально существующие системы являются открытыми, так как постоянно обмениваются веществами и/или энергией с другими системами.

Равновесие замкнутых открытых систем.

При определенных параметрах обмена энергией и/или веществами в замкнутой открытой системе за счет этого обмена упорядоченное состояние и неравномерное распределение энергии может сохраняться неопределенно долго. Рассмотрим тот же пример с неравномерно нагретым предметом, только в качестве не изолированной, а открытой системы. Представим себе, что в силу этой открытости, к более теплой части предмета постоянно поступает определенное количество тепла, а вся система в целом отдает определенное количество тепла в окружающую среду. Допустим, что количество тепла, получаемое системой, эквивалентно тепловой энергии, переходящей от теплой части предмета к холодной и количеству энергии, отдаваемому системой среде. В этих условиях, не смотря на постоянный переход энергии внутри системы от теплой части к холодной, неравномерное распределение энергии в системе будет сохраняться, а, значит, сохранится и работоспособность системы. (По сути, мы получили упрощенную схему тепловой машины, например паровой, в которой непрерывно сжигаемое топливо подает в систему новые порции тепла, а выбрасываемый в окружающую среду отработанный пар отдает свое тепло этой среде.) При этом, поскольку переход энергии от теплой части системы (предмета) к холодной не прекращается, также непрерывно идет и процесс выравнивания распределения энергии и возрастания энтропии в системе. Вот только за счет обмена тепловой энергией с внешней средой также непрерывно идет процесс восстановления неравномерного распределения энергии и уменьшения энтропии. Если процессы увеличения и уменьшения энтропии в системе будут эквивалентны, общая энтропия системы изменяться не будет, и степень упорядоченности системы не уменьшится. Такое состояние системы, в котором суммарное изменение энтропии равно нулю называется стационарным и является не устойчивым, так как изменение любого из параметров обмена энергией со средой приведет к изменению распределения энергии в системе.

Самым устойчивым будет состояние при минимальном значении термодинамических функций. Иными словами тела должны прийти в тепловое равновесие. Поэтому вода не может все время быть плавящимся льдом или все вре­мя кипеть, хотя именно в этих температурных точках на­растает ее энтропия. Зато между точками кипения и плав­ления находится жидкое состояние, которое обладает дос­таточной беспорядочностью (в сравнении с льдом) и не стре­мится к большему беспорядку в конкретных условиях. Так же, отапливая зимой комнату, мы не увеличиваем внутреннюю энергию помещения, которая постоянно уходит в процессе теплового обмена с наружной средой, а поддерживаем постоянную температуру, то есть неустойчивое состояние. Энтропия, обогреваемого помещения не максимальна и не постоянна, но ее постоянное изменение во времени равно нулю.

Изменение параметров обмена энергией со средой приведет к изменению распределения энергии в системе и выходу системы из сложившегося состояния равновесия. Система, выведенная внешним воздействием из состояния с минимальным производством энтропии, стимулирует развитие процессов, направленных на ослабление внешнего воздействия и восстановление состояния с минимально возможной при данных новых условиях энтропией. Структурная особенность системы позволяющая сохранять и восстанавливать свою упорядоченность в определенном диапазоне меняющихся условий называется аттрактором, а само равновесие динамическим. Изменение внешних условий может смещать динамическое равновесие как в сторону процессов уменьшения энтропии, так и в сторону увеличения энтропии. Достигаемое в рамках аттрактора новое неустойчивое равновесие, однако, неизбежно ведет к общему увеличению энтропии или в самой системе (увеличение порядка в одной части системы сопровождается соответствующим увеличением беспорядка в другой части системы) или в надсистеме, являющейся для изучаемой системы внешней средой.