- •Смоленский институт бизнеса и предпринимательства
- •Тема 1.3. Физика как целое
- •Тема 2.4. Основные концепции и перспективы биологии
- •... Различие между гуманитарными и естественными науками, столь резкое в средние века, ныне не принципиально, а, скоре, стадиально
- •Этапы развития естественно-научного мышления. История естествознания
- •Развитие физико-химической биологии
- •Панорама современного естествознания и его незавершенность.
- •Литература
- •Раздел 1. Физика глазами гуманитария: образы физики Пространство, время и материя в контексте культуры
- •Литература
- •Тема 1.1. Физика необходимого Мир дискретных объектов - физика частиц
- •Состояние физической системы и его изменение со временем
- •Импульс, энергия и момент системы как меры движения
- •Мир непрерывных объектов - физика полей (континуум)
- •Сплошная среда и упругие волны
- •Взаимодействие: концепции близкодействия и дальнодействия
- •Электромагнитное поле и электромагнитные волны
- •Интерференция, дифракция и поляризация света
- •Литература
- •Тема 1.2. Физика возможного Мир микрообъектов - квантовая физика
- •Атомы, молекулы, кристаллы
- •Периодический закон Менделеева
- •Квантовые переходы и излучение
- •Атомы и молекулы
- •Мир реальных макрообъектов - статистическая физика
- •Тепловое равновесие и флуктуации. Неравновесные состояния и релаксация
- •Тепловая физика: от Карно к Гиббсу
- •Энергия, температура, энтропия
- •Ближний и дальний порядки в природе
- •Микропорядок и макропорядок. Ближний и дальний порядок
- •Фазовые переходы и симметрия
- •Необратимость - неустранимое свойство реальности. Стрела времени
- •Литература
- •Тема 1.3. Физика как целое Иерархия структур природы
- •Микромир
- •Физический вакуум как реальность
- •Макромир
- •Мегамир Звезды. Галактики. Вселенная
- •Вариационные принципы
- •Принцип дополнительности
- •Принципы симметрии и законы сохранения
- •Литература
- •Тема 1.4. От физики существующего к физике возникающего Современная физическая картина мира
- •Креативная роль физического вакуума
- •Этапы эволюции горячей Вселенной, неоднозначность сценария и антропный принцип
- •Происхождение галактик и Солнечной системы
- •Земля: происхождение и динамика геосфер
- •Роль живых организмов в эволюции Земли
- •Литература
- •Раздел 2. Жизнь От атомов к протожизни. Неорганические и органические соединения и их многообразие
- •Кислоты, основания, соли
- •Химия жизни
- •Особенности биологической формы организации материи. Молекулы живых систем
- •Матричный синтез. Информационные макромолекулы
- •Тема 2.1. Живые системы
- •Принципы взаимодействия организма и среды обитания
- •Принципы воспроизводства и развития живых систем
- •Клеточное строение организмов. Принципы структурной организации и регуляции метаболизма
- •Жизненный цикл клетки
- •Единство и многообразие клеточных типов
- •Дифференциация и интеграция функций в организме
- •Размножение и развитие организмов
- •Смерть и ее биологический смысл
- •Многообразие биологических видов — основа организации и устойчивости биосферы
- •Принципы систематики и таксономии
- •Планы строения и принципы функционирования представителей основных таксонов
- •Эволюционное и индивидуальное развитие. Онтогенез и филогенез
- •Генетика и эволюция
- •Литература
- •Тема 2.2. Человек: организм и личность
- •Положение человека в царстве животных
- •Отличительные особенности человека
- •Мозг и высшая нервная деятельность
- •Природа агрессии
- •Природа наслаждений
- •Биосоциальные основы поведения
- •Половое поведение человека
- •Происхождение человека
- •Этапы антропогенеза
- •Биологические предпосылки и факторы антропогенеза
- •Проблемы цефализации
- •Биосоциальная природа человека
- •Экология и здоровье. Биополитика
- •Литература
- •Тема 2.3. Биосфера и цивилизация
- •Круговороты вещества и энергии
- •Биосфера
- •Эволюция биосферы
- •Ресурсы биосферы
- •Пределы устойчивости биосферы
- •Биопродуктивность биосферы
- •Ресурсы биосферы и демографические проблемы
- •Антропогенные воздействия на биосферу
- •Экологический кризис и пути его преодоления
- •Принципы рационального природопользования
- •Охрана природы
- •Экология человека
- •Социальная экология
- •Антропоцентризм, биоцентризм и решение социальных проблем
- •Пути развития экономики, не разрушающей природу
- •Экологическое право
- •Что мы можем сделать для сохранения жизни на Земле
- •Человек, биосфера и космические циклы
- •Литература
- •Тема 2.4. Основные концепции и перспективы биологии
- •Тема 3.2. Принципы синергетики, эволюционная триада и системный подход
- •О направлении самопроизвольных процессов
- •Критерий устойчивости систем, далеких от равновесия
- •Порядок и энтропия
- •Механизмы эволюции
- •Литература
- •Тема 3.3. Качественные методы в эволюционных задачах Начала нелинейного мышления. Пространства состояний системы и динамическая модель
- •Диссипативные системы вдали от равновесия
- •Литература
- •Тема 3.4. Динамический хаос - фундаментальное свойство реальности
- •Литература
- •Тема 3.5. Самоорганизация в живой и неживой природе
- •Информационные аспекты синергетики
- •Литература
- •Заключение
- •Литература
Энергия, температура, энтропия
Немецкий физик Р.Клаузиус ввел функцию S, которую он назвал энтропией и сформулировал второй закон термодинамики (1865): “При самопроизвольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию, энтропия всегда возрастает”.
Вот несколько равноценных формулировок второго начала термодинамики:
1) невозможно построить вечный двигатель второго рода, то есть машину, которая работает за счет тепла окружающей среды;
2) работу можно получить лишь выравнивая перепады каких-либо параметров системы (температуры, давления, электрического потенциала);
3) в замкнутой (то есть не получающей энергии извне) системе прирост энтропии всегда положителен;
4) все самопроизвольно протекающие процессы в замкнутых системах идут в сторону наиболее вероятного состояния системы.
Австрийский физик Л.Больцман открыл физический смысл энтропии и причины ее роста в изолированных системах: энтропия - мера беспорядка в системе. Полный порядок соответствует минимуму энтропии; любой беспорядок увеличивает ее. Максимальная энтропия соответствует полному хаосу. Энтропия жидкости больше, чем твердого тела; а энтропия газа больше чем энтропия жидкости.
Больцман впервые ввел понятие термодинамической “вероятности состояния системы”. Всякая система, состоящая из очень большого числа частиц, будет переходить от состояний менее вероятных к состояниям более вероятным, осуществляющимся большим числом способов. Связь между энтропией S и числом способов реализации данного состояния (термодинамической вероятностью) P дает формула Больцмана: S=klnP+const, где - постоянная Больцмана. ИлиS=klnW. Читается эта формула так: энтропия замкнутой системы прямо пропорциональна натуральному логарифму термодинамической вероятности состояния системы.
Когда энтропия системы достигает максимума, то никакие процессы в ней невозможны. Но при этом необходимо различать микропроцессы и макропроцессы. В природе необратимы все макроскопические процессы, они протекают в направлении возрастания энтропии. Необратимым является такой процесс, который в обратном направлении может протекать только как одно из звеньев более сложного процесса.
Одному и тому же макросостоянию может соответствовать множество микросостояний, которые с течением времени непрерывно сменяют друг друга, хотя на макроуровне может не наблюдаться никаких изменений. Действие закона возрастания энтропии при протекании процессов в замкнутых системах проявляется только на макроуровне.
Энтропия, как и энергия, - функция состояния системы. Энергия проявляется в работе. Энергия как функция состояния системы характеризуется определенными координатами, а работа равна разности энергий системы при переходе ее из одного состояния в другое.
В соответствии с законом сохранения энергии все формы движения материи могут переходить одна в другую. Но существуют “ловушки”, в которых различные виды движения материи превращаются в тепловое движение -трение, электрическое сопротивление, теплопроводность. А это превращение необратимо. В конце концов вся энергия системы превращается в энергию теплового движения и рассеивается в окружающем пространстве, а энтропия системы достигает максимума.
Энергия и энтропия всегда рядом. Энергия дает жизнь каждому листику, травинке, движение облакам, рекам, ветру. А энтропия? Если бы ее не было, все процессы в мире стали бы обратимыми. Книга соскользнет на пол и расползется на волокна, раскрутятся гайки и винты, на нас обрушится какофония звуков, которую произведут все происшедшие на Земле удары грома, выстрелы, взрывы, музыка, речь людей... В таком мире все виды движения материи будут долго превращаться друг в друга без потерь, но как бы мы прожили в этом мире?