Принцип суперпозиции

• Данный принцип имеет особое значение в квантовой механике (а в квантовой физике выполняется лишь приближенно). Принцип суперпозиции (наложения) – это допущение, согласно которому результирующий эффект представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым воздействующим явлением в отдельности, при условии, что эффекты не влияют взаимно друг на друга. Другими словами данный принцип можно выразить следующими закономерностями:

• Взаимодействие между двумя частицами не изменяется при внесении третьей частицы, также взаимодействующей с первыми двумя.

• Энергия взаимодействия всех частиц в многочастичной системе есть просто сумма энергий парных взаимодействий между всеми возможными парами частиц. В системе нет многочастичных взаимодействий.

• Уравнения, описывающие поведение многочастичной системы, являются линейными по количеству частиц.

Одним из простых примеров принципа суперпозиции является правило параллелограмма, по которому складываются две силы, воздействующие на тело. Встречный ветер тормозит движение автомашины по закону параллелограмма – принцип суперпозиции в этом случае выполняется полностью.

Но если песок, поднятый ветром, ухудшает работу двигателя, то в этом случае принцип суперпозиции выполняться не будет.

Принцип суперпозиции играет большую роль в теории колебаний, теории цепей, теории полей и других разделах физики. В микромире принцип суперпозиции – фундаментальный принцип, который вместе с принципом неопределенности составляет основу математического аппарата квантовой механики.

Основы термодинамики

Термодинамика исторически возникла как эмпирическая наука об основных способах преобразования внутренней энергии тел для совершения механической работы. Однако в процессе своего развития термодинамика проникла во все разделы физики, где возможно ввести понятие «температура», и позволила теоретически предсказать многие явления задолго до появления строгой теории этих явлений. Начиная с постулатов (к примеру, первый, или основной, постулат термодинамики утверждает, что у изолированной системы существует состояние термодинамического равновесия, в которое она приходит с течением времени и никогда самопроизвольно выйти из него не может), термодинамика в своем развитии созрела до формулировки важных законов:

Первый закон термодинамики.

Формулировка:

В изолированной термодинамической системе сумма всех видов энергии является величиной постоянной.

Этот закон является частным случаем всеобщего закона сохранения и превращения энергии, который гласит, что энергия не появляется и не исчезает, а только переходит из одного вида в другой. Из этого закона следует, что уменьшение общей энергии в одной системе, состоящей из одного или множества тел, должно сопровождаться увеличением энергии в другой системе тел. Существуют другие формулировки этого закона:

1. Не возможно возникновение или уничтожение энергии (эта формулировка говорит о невозможности возникновения энергии из ничего и уничтожения ее в ничто). 

2. Любая форма движения способна и должна превращаться в любую другую форму движения (эта философская формулировка подчеркивает неуничтожимость энергии и ее способность взаимопревращаться в любые другие виды энергии). 

3. Вечный двигатель первого рода невозможен. (Под вечным двигателем первого рода понимают машину, которая была бы способна производить работу не используя никакого источника энергии). 

4. Теплота и работа являются двумя единственно возможными формами передачи энергии от одних тел к другим.

Переходим к исследованию второго закона термодинамики.

Если первый закон термодинамики утверждает, что теплота может превращаться в работу, а работа в теплоту, не устанавливая условий, при которых возможны эти превращения, то практика требует формулирования этих условий. Повседневные наблюдения и опыты показывают, что теплота сама может переходить только от нагретых тел к более холодным (до полного равновесия). Только за счет затраты работы можно изменить направление движения теплоты. Это свойство теплоты резко отличается от работы. Работа легко и полностью превращается в теплоту.

В тепловых машинах превращение теплоты в работу происходит только при наличии разности температур между источниками теплоты и теплоприемниками. При этом вся теплота не может быть превращена в работу. Закон, позволяющий указать направление теплового потока, и устанавливающий максимально возможный предел превращения теплоты в работу в тепловых машинах является вторым законом термодинамики.

Второй закон термодинамики

Формулировка:

Вечный двигатель второго рода не возможен (под вечным двигателем второго рода понимается машина, которая могла бы превращать всю подводимую к ней теплоту в работу. Такая машина имела бы КПД = 1).

Другая формулировка этого закона:

Стопроцентное превращение теплоты в работу посредством тепловой машины-двигателя невозможно. Условия работы тепловых машин:

• тепловая машина всегда работает в определенном перепаде температур. (Это значит, что для работы такой машины необходимо иметь по крайней мере 1 источник теплоты, и 1 приемник теплоты);

• любая тепловая машина должна работать циклично, т.е. рабочее тело, совершая за определенный промежуток времени ряд процессов расширения и сжатия, должно возвращаться в исходное состояние.

То есть в природе не может быть круговых процессов, единственным результатом которых было бы превращение теплоты в работу.

Второй закон термодинамики можно сформулировать и как закон, согласно которому энтропия теплоизолированной системы будет увеличиваться при необратимых процессах или оставаться постоянной, если процессы обратимы.

Энтропия – мера отклонения системы от статического термодинамического равновесия, мера неупорядоченности, мера хаоса.

При нагревании тела энтропия увеличивается, растет степень неупорядоченности. В изолированной системе энтропия может только расти.

Речь идет о принципе возрастания энтропии – важнейшем принципе термодинамики. Он соответствует стремлению любой системы к состоянию термодинамического равновесия (статического равновесия), которое традиционно отождествляли с хаосом (до открытия синергетической концепции И. Пригожина).

Антиподом энтропии является самоорганизация.

Самоорганизация – это способность к стабилизации некоторых параметров путем направленной упорядоченности структуры системы с возможностью противостояния энтропийным факторам среды.

В настоящее время теория и методология, исследующая процессы самоорганизации, называется синергетикой.