9. Порядок и беспорядок в природе. Динамические и статистические теории:

Динамические теории - это теории, представляющие совокупность динамических законов. Динамические теории: классическая механика; классическая теория излучения; релятивистская механика.

Динамический закон – это закон, управляющий поведением отдельного объекта и позволяющий устанавливать однозначную связь его состояний.

Статистические теории - это теории, представляющие совокупность статистических законов. Статистические теории: квантовая механика; квантовая теория излучения (квантовая электродинамика); релятивистская квантовая механика.

Статистический закон – это закон, управляющий поведением больших совокупностей и в отношении отдельного объекта, позволяющий делать лишь вероятностные выводы о его поведении.

Первый закон термодинамики - Закон сохранения и превращения энергии (первое начало термодинамики), во-первых, утверждает существование качественных видов энергии (потенциальной, кинетической, механической, тепловой, электромагнитной и т.д.) и присущую им способность при определенных условиях превращаться друг в друга; во-вторых, указывает, что в любых процессах, происходящих в замкнутых системах (т.е. системе, не обменивающейся ни веществом, ни энергией с окружающим миром), численное значение энергии остается постоянным во времени, т.е. невозможность ее исчезновения или возникновения.

Количественная формулировка первого начала термодинамики: количество теплоты (Q), сообщенное телу, идет на увеличение его внутренней энергии DU и на совершение телом работы А (Q =DU+А).

Потенциальная и кинетическая энергия переходят друг в друга при движении тел в поле силы тяжести, в колебательном движении тел, например, при колебании маятника. В двигателе внутреннего сгорания химическая энергия превращается в тепловую и кинетическую энергию.

Закон сохранения механической энергии проявляется при движении тел в поле тяжести, падении тел в поле тяжести, при упругом соударении тел, в свободном колебательном движении тел (движение маятника), аннигиляции.

Если закон сохранения энергии выполняется во всех химических процессах, во всех явлениях природы, то закон сохранения иногда выполняется точно, а иногда приблизительно. Например, в химии масса всех веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе всех продуктов реакции. Однако в физике, электрон и позитрон, каждый из которых обладает массой, могут аннигилировать в фотоны, не имеющие массы покоя.

В термоядерных реакциях выполняются закон сохранения электрического заряда, закон сохранения энергии, закон сохранения лептонного заряда, закон сохранения адронного заряда. Закон сохранения энергии и закон сохранения импульса регламентируют превращение вещества в поле и наоборот.

Первый закон термодинамики отрицает возможность вечного двигателя (perpetuum mobile) первого рода. Вечный двигатель первого рода предполагает работу без извлечения энергии из окружающей среды. Нельзя построить периодически действующую машину, которая бы совершала работу больше подводимой к ней извне энергии.

Второй закон термодинамики – Закон рассеяния энергии. Всякая система стремится перейти к состоянию термодинамического равновесия, в котором тела обладают одинаковыми температурами и давлением. Все термодинамические процессы, приближающиеся к тепловому равновесию, необратимы. Это приводит нас ко второму началу термодинамики: тепло не может само собой переходить от холодных тел к более нагретым; или тепловая энергия равномерно распределяется между всеми телами, и всякие тепловые процессы в любой системе полностью прекращаются. Эго приводит к тепловой смерти системы. Данное утверждение справедливо для замкнутых систем. Этот закон характеризует рост энтропии во времени.

Второе начало термодинамики указывает на существование двух различных форм энергии – теплоты (связанной с неупорядоченным движением) и работы (связанной с упорядоченным движением). Неупорядоченную форму энергии невозможно полностью перевести в упорядоченную форму энергии. Мерой неупорядоченности в термодинамике является энтропия. Энтропия (мера рассеяния энергии) – это функция состояния системы, характеризующая направление протекания самопроизвольных процессов в замкнутой системе. В замкнутой системе энтропия стремится к максимуму.

Направление тепловых процессов определяется законом возрастания энтропии: энтропия замкнутой системы может только возрастать; максимальное значение энтропии замкнутой системы достигается в равновесии: DS ≥ 0 (где S – энтропия). Приведенное утверждение считается количественной формулировкой второго закона термодинамики.

Высококачественные формы энергии: механическая, электрическая,

Низкокачественная форма энергии: теплота

Энтропия - термодинамическая характеристика состояния системы, определяющая меру ее неупорядоченности (беспорядка); в теории информации определяет меру неопределенности сообщения; согласно второму закону термодинамики, в изолированной системе энтропия не может убывать, т.е. в сложной системе, предоставленной самой себе, беспорядок только растет.

Энтропия как измеряемая физическая величина (приведенная теплота) - физическая величина, определяющая меру хаоса (беспорядка) в изолированной системе (как правило, в термодинамических системах); мера внутренней неупорядоченности системы, она остается либо постоянной (для обратимых процессов), либо возрастает (для необратимых процессов). Принимает только положительные значения. Понятие энтропии введено в науку немецким физиком Рудольфом Клаузиусом в 1865 году.

Энтропия

мера молекулярного беспорядка

мера некачественности энергии

Синергетика - Синергетика – это наука о самоорганизации сложных систем, о превращении хаоса в порядок. Развитие синергетики идет по нескольким направлениям: синергетика (Г. Хакен), неравновесная термодинамика (И.Р. Пригожин) и др.

Синергетика как составляющая научной картины мира сформулировала основную тенденцию развития в Природе: создание более сложных систем из более простых; определила основные принципы эволюции материальных систем. Синергетика подтвердила положение теории относительности о взаимопревращении вещества и энергии; объясняет образование макросистем (вещества). Синергетика отражает процесс творчества Природы: создание новых структур в природных системах; образование новых систем и т.п. Идеи синергетики носят междисциплинарный характер. Они являются основой совершающегося в естествознании глобального эволюционного синтеза.

Основные идеи синергетики:

– Процессы эволюции и деградации, разрушения и созидания равноправны. Хаос не только разрушителен, но и созидателен. Развитие осуществляется через неустойчивость (хаотичность).

– Процессы созидания (упорядоченности) имеют единый алгоритм, независимо от природы, специфики и характера систем, в которых они осуществляются.

– Эволюция большинства сложных систем носит нелинейный характер, т.е. для такого типа систем всегда существует несколько возможных вариантов развития. Возникновение структур нарастающей сложности не случайность, а закономерность. Случайность встроена в механизм эволюции.

Необходимые условия самоорганизации

открытость системы; ее нахождение вдали от точки равновесия; наличие флуктуации - случайное, беспорядочное отклонение системы от равновесного положения (состояния), вызываемое тепловым движением ее частиц

Примеры самоорганизации

все фазовые переходы в физических системах , такие как переход жидкость - газ , ферромагнитный переход или возникновение сверхпроводимости;

возникновения структуры из полностью хаотической фазы являются конвективные ячейки Бенара;

лазер.