Семинарское занятие № 14

Энергии. Законы энергии в природных системах (2 часа)

1. Понятие энергии. Основные источники энергии. Качество энергии.

2. «Живая сила» Лейбница.

3. Основы термодинамики. Понятие об энтропии.

4. Порядок и хаос. Стрела времени.

5. Демон Максвелла.

6. Взаимопревращение различных видов энергии. Тепловая энергия.

7. Проблема «тепловой смерти» Вселенной. Флуктуационная гипотеза Больцмана.

Энергия – это мера всего, это единая мера различных форм движения. Это понятие в современной структуре естествознания занимает центральное место, являясь фундаментом здания современной физики.

На нашей планете основной источник энергии – Солнце, энергия которого пробудила и поддерживает жизнь на протяжении миллиардов лет эволюции.

В структуре физической теории понятие энергии вошло лишь к середине 19 века. Хотя еще Аристотель, определяя движение, трактовал его как переход от возможности к действительности, от потенции к деятельности.

В связи с изучением механического движения и формированием в механистической картине мысли о неуничтожимости и несотворимости механического движения, возникает понятие «живой силы», которое вводится Лейбницем и выражается произведением mv², так как она сохраняется в процессе взаимодействия тел. Понятие «живая сила» - это сила, которая связывается с представлениями об активном начале любого движущегося тела, в противоположность «мертвой силе», запасенной в покоящемся теле.

В середине 20 века, при изучении природных систем, была установлена их открытость. Это позволило И. Пригожину создать неравновесную термодинамику. Если равновесная термодинамика изучает процессы преобразования, протекающие в замкнутых системах, состояние которых близко к состоянию термодинамического равновесия, то неравновесная термодинамика – процессы преобразования в открытых системах, для которых применим принцип самоорганизации. Для осуществления принципа самоорганизации открытые системы должны иметь приток энергии и вещества извне. Такие системы Пригожин назвал диссипативными. Важным моментом в разработке проблем неравновесной термодинамики является ее отношение к проблеме необратимости времени. Самоорганизация не подчиняется статистическим законам, но при ее протекании в явном виде обнаруживается «стрела времени», то есть переход открытой системы из одного упорядоченного состояния в другое невозможно повернуть вспять.

Принцип возрастания энтропии – важнейший принцип термодинамики. Он соответствует стремлению любой системы к состоянию термодинамического равновесия, которое можно отождествить с хаосом. Противоположное свойство систем – негэнтропия, является мерилом упорядоченности системы, ее рост соответствует возрастанию порядка. В состоянии теплового равновесия энтропия достигает максимального значения, что обусловливает молекулярный хаос. В этом случае система забывает свое начальное состояние, то есть она не сохраняет информацию о своем прошлом. По словам Эддингтона, возрастание энтропии, определяющее необратимые процессы, есть «стрела времени». Любая изолированная физическая система с течением времени обнаруживает тенденцию перехода от порядка к беспорядку. Механическая концепция движения, которая не обращала внимание на необратимые процессы, по существу, описывала движение как постоянное повторение одного и того же круга превращений. Жесткая детерминированность законов классической физики, отсутствие в ней элементов вероятности определяют возможность воздействия на систему, ее управление. Второе же начало термодинамики указывает на то, что вследствие необратимости процессов, такое управление не возможно. Наблюдения за природными системами показало, что к большинству из них данная точка зрения неприложима. Поэтому Максвелл говорил о том, что в системах с малым количеством объектов следствием статистических законов должно стать нарушение второго начала термодинамики. Он вводит понятие существа, которое может обладать способностью видеть, следить за каждой молекулой, отбирать отдельные из них, и поэтому нарушить закон нарастания энтропии. Такое существо получило название – демон Максвелла.

Классическая термодинамика постепенно пришла в противоречие с данными биологии, истории, социологии и других наук. Прежде всего это проявилось в интерпретации понятий время и эволюция. Стрела времени в термодинамике связывалась с возрастанием энтропии и увеличением беспорядка в системе. Тогда как в биологии и социологии она рассматривалась с точки зрения становления и совершенствования систем. На основе законов термодинамики постепенно возникает прогноз «тепловой смерти» Вселенной (Томсон-Клаузиус). Согласно ему, раз все виды энергии деградируют, превращаясь в тепло, то когда-нибудь все звезды закончат свое существование, отдав энергию в пространство, и вся Вселенная придет в самое простое состояние хаоса – термодинамического равновесия с температурой лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля. Решить эту проблему пытался Больцман, создав флуктуационную гипотезу, в основу которой он положил ограничение Максвелла. Он рассматривал видимую нами часть Вселенной, лишь одним из компонентов бесконечной Вселенной. Для такой части допустимы небольшие флуктуационные отклонения от равновесия, благодаря чему в целом исчезает необратимая эволюция Вселенной в направлении хаоса.

Действительно, исходя из законов термодинамики, если система диссипатирует энергию, производит энтропию, то она должна прийти к «тепловой смерти». Но с открытием и изучением открытых и неравновесных природных систем возникают новые представления (термодинамика Пригожина), по которым энтропия – не просто безостановочное соскальзывание системы к состоянию, лишенному какой-либо организации, а при определенных условиях становится прародительницей порядка. Это связано с нелинейным характером изменений в неравновесных системах.

Рекомендуемая литература:

1. Грушевицкая Т.Г., Садохин А.П. Концепции современного естествознания.-Калуга,1997.-383с.

2. Колычева Р.В. Естествознание.-Воронеж:Изд-во Воронеж. педун-та, 1995.-163с.

3. Кольцова О.М., Романюк В.Н. Концепции современного естествознания.-Воронеж: Истоки,2000.- 314с.

4. Концепции современного естествознания / Авторский коллектив под рук. С.И. Самыгина.- Ростов-на-Дону: Феникс, 2001.-460с.

5. Кузнецов В.И., Идлис Г.М., Гутина В.Н. Естествознание. – М.: Агар,1996.-384с.

6. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах.-М.:Прогресс,1976.-310с.

7. Одум Ю. Экология. В 2 томах.-М.:Мир,1986.-328с.

8. Осипов А.И. Самоорганизация и хаос.-М.:Наука,1990.-175с.

9. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса.-М.:Прогресс,1986.-250с.

10. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания. -М.:ЮНИТИ, 1997.-287с.

11. Скулачев В.П. Эволюция биологических механизмов запасания энергии// Соросовский образовательный журнал.-1997.-№5.-С.11-20.

Темы рефератов и докладов:

1. Понятие энергии.

2. Качество энергии.

3. Земля – планета солнечной энергии.

4. Закон сохранения энергии.

5. Тепловая энергия, ее особенности.

6. Взаимопревращение различных видов энергии друг в друга.

7. Законы термодинамики. Энтропия.

8. Термодинамика открытых неравновесных и закрытых равновесных систем.

9. Проблема «тепловой смерти» Вселенной. Флуктуационная гипотеза Больцмана.

10. Преобразование и накопление энергии в живых системах различного уровня: клетка, организм, биосфера.

11. Основные источники энергии на планете. Виды источников энергии.

12. Альтернативные источники энергии.

13. Роль современного естествознания в преодолении энергетического кризиса.