1 7. Понятия закрытой и открытой системы. Переход от равновесной термодинамики классической науки к неравновесной термодинамики неклассической науки

Термодинамика — наука, изучающая внутреннее состояние макроскопических тел в равновесии. По другому определению, т термодинамика — наука, занимающаяся изучением законов взаимопреобразования и передачи энергии.

Рассматривая законы движения в классической и квантовой механике, мы не обращали внимания на характер времени, с помощью которого описываются процессы изменения в этих теориях. Время в них выступало в качестве особого параметра, знак которого можно поменять на обратный.

Направление времени никак не учитывается в классической механике. Такое представление о времени противоречит как повседневной нашей практике, так и тем теоретическим воззрениям, которые установились в естественных науках, изучающих конкретные изменения явлений во времени (история, геология, биология и др.)

Наиболее резкое противоречие в прошлом веке возникло между прежней физикой и эволюционной теорией Дарвина. Если, например, в механике, все процессы являются обратимыми, лишенными своей истории и развития, то теория Дарвина доказала, что новые виды растений и животных возникают в ходе эволюции в результате борьбы за существование. В этой борьбе выживают те организмы, которые оказываются более приспособленными к изменившимся условиям окружающей среды. Следовательно, в живой природе все процессы являются необратимыми. То же самое можно сказать в принципе о социально-экономических, культурно-исторических и гуманитарных системах, хотя эволюция в природе происходит намного медленнее, чем в обществе.

Соотношение обратимых и необратимых процессов можно проиллюстрировать на примере фильма о движении паровоза. Если мы будем смотреть такой фильм в обратном порядке и увидим, что поезд «пошел назад», то это нам покажется совершенно правдоподобным, т.к. механические системы обратимы. А вот если в кадре дым паровоза образовывается в пространстве и втягивается в трубу, то такое событие кажется невозможным – равносильно признанию возможности движения времени вспять. В данном случае речь идет о тепловом необратимом процессе, который принципиально отличается от механических обратимых процессов.

Понятие времени в классической термодинамике.

До возникновения термодинамики понятие времени по существу отсутствовало в классической физике в том виде, в каком оно рассматривается в реальной жизни и в науках, изучающих процессы, протекающих во времени и имеющих свою историю. Время не отражает внутренние изменения, происходящие в системе. Именно поэтому в уравнениях физики его знак можно менять на обратный. Механические процессы обратимы: уравнения механики, в которые входит время t, симметричны по отношению к этому параметру, т.е. возможна замена t на –t.

Положение существенно изменилось после того, как физика вплотную занялась изучением тепловых процессов, законы которых были сформулированы в классической термодинамике. Термодинамика исследовала физические процессы при различных преобразованиях тепловой энергии.

Термодинамика возникла из обобщения многочисленных фактов, описывающих явления передачи, распространения и превращения тепла. Здесь самый очевидный факт тот, что распространение тепла – это процесс необратимый. Например, в результате трения или выполнения другой механической работы, нельзя снова превратить в энергию и потом использовать для производства работы.

Законы классической термодинамики:

1. (закон сохранения энергии) Если в системе производится тепло Q и над ней производится работа W, то энергия системы возрастает до величины U: U = Q + W

2. Тепло не может перетечь самопроизвольно от холодного тела к горячему.

( нельзя произвести работу за счет охлаждения озера или моря при установившейся температуре).

Немецкий физик Рудольф Клаузиус использовал для формулировки второго закона понятие энтропии – изменение порядка в системе. Когда энтропия в системе возрастает, то соответственно усиливается беспорядок в системе. ТО ЕСТЬ:

Энтропия замкнутой системы, т.е. системы, которая не обменивается с окружением ни энергией, ни веществом, постоянно возрастает.

Это означает, что такие системы эволюционируют в сторону увеличения в них хаоса и беспорядка, пока не достигнут точки термодинамического равновесия, в которой всякое производство работы становится невозможным.

Термодинамика впервые ввела в физику понятие времени весьма в своеобразной форме, а именно необратимого процесса возрастания энтропии в системе. Чем выше энтропия системы, тем больше временной промежуток прошла система в своей эволюции.

Очевидно, что такое понятие о времени и особенно об эволюции системы коренным образом отличается от понятия эволюции, лежавшей в основе теории Дарвина. В то время как в дарвинской теории происхождение новых видов растений и животных путем естественного отбора эволюция направлена на выживание более совершенных организмов и осложнение их организации, в термодинамике эволюция связывалась и дезорганизацией системы. Это противоречие оставалось неразрешенным вплоть до 60-х годов 20 века, пока не появилась новая, неравновесная термодинамика, которая опирается на концепцию необратимых процессов.

Классическая термодинамика оказалась неспособной решить и космологические проблемы характера процессов, происходящих во Вселенной. Первую попытку распространить законы термодинамики на вселенную предпринял один из основателей этой теории – Клаузиус, выдвинувший два постулата:

1. энергия вселенной всегда постоянна.

2. энтропия вселенной всегда возрастает.

Если принять второй постулат, то необходимо принять, что все процессы во Вселенной направлены в сторону достижения состояния термодинамического равновесия, соответствующего максимуму энтропии, а, следовательно, состояния, характеризуемого наибольшей степенью хаоса, беспорядка и дезорганизации. В таком случае во вселенной наступит тепловая смерть, и никакой полезной работы в ней произвести будет нельзя. Такие мрачные прогнозы встретили критику со стороны ряда выдающихся ученых и философов, но в середине 20 века было еще мало научных аргументов для опровержения Клаузиуса и обоснования альтернативного взгляда.

Открытые системы и новая термодинамика.

В отличие от закрытых, или изолированных, открытые системы обмениваются с окружающей средой энергией, веществом и информацией. Все реальные системы являются именно открытыми.

В открытых системах также производится энтропия, т.к. в них происходят необратимые процессы, но энтропия в этих системах не накапливается, как в закрытых системах, а выводится в окружающую среду. Так как энтропия характеризует степень беспорядка в системе, то можно сказать, что открытые системы живут за счет заимствования порядка из внешней среды.

Открытые системы и неравновесная термодинамика.

Классическая термодинамика в своем анализе систем в значительной мере абстрагировалась от их реальной сложности, в частности, отвлекалась от их взаимодействия с внешней средой. Поэтому её исходное понятие закрытой, или изолированной, системы не отражала действительного положения вещей и приводила к противоречию с результатами исследований в биологии и социальных науках. Эволюционная теория Дарвина свидетельствовала, что живая природа развивается в направлении усовершенствования и усложнения новых видов растений и животных. История, социология и др. социальные и гуманитарные науки показывали, что в обществе, несмотря на отдельные зигзаги и движение вспять, в целом наблюдается также прогресс.

В противоположность этому классическая термодинамика утверждала, что физические и другие системы неживой природы эволюционируют в направлении усиления их беспорядка, разрушения. В таком случае непонятно, как из неживой природы, системы которой имеют тенденцию к дезорганизации, могла появиться когда либо живая природа, где системы, напротив, стремятся к совершенствованию и усложнению своей организации.

Опыт и практическая деятельность свидетельствовали, что понятия закрытой системы является далеко идущей абстракцией, и поэтому она очень упрощает и огрубляет действительность, так как в ней трудно или даже невозможно найти системы, которые бы не взаимодействовали с окружающей средой, состоящей так же из систем. Поэтому в новой термодинамике место закрытой системы заняло иное фундаментальное понятие открытой системы, которая способна обмениваться с окружающей средой веществом, энергией и информацией.

Одно из первых определений этого понятия принадлежит выдающемуся австрийскому физику Эрвину Шредингеру (1887-1961).

Средство, при помощи которого организм поддерживает себя постоянно на достаточно высоком уровне упорядоченности (равно на достаточно низком уровне энтропии), в действительности состоит в непрерывной извлечении упорядоченности из окружающей его среды.

Взаимодействуя со средой, открытая система не может оставаться замкнутой, т.к. вынужденно взаимодействует извне либо новое вещество, или свежую энергию и одновременно выводить в среду использованное вещество и отработанную энергию.

В ходе своей эволюции система постоянно обменивается энергией с окружающей средой, а следовательно производит энтропию. Но в отличие от закрытых систем эта энтропия, характеризующая степень беспорядка в системе, не накапливается в ней, а удаляется в окружающую среду. Это означает, что использованная, отработанная энергия рассеивается в окружающей среде и взамен её из среды извлекается новая, свежая энергия, способная производить полезную работу.

Такого рода материальные структуры, способные диссипиировать или рассеивать энергию, называются диссипативными. То есть становится ясно, что открытая система не может быть равновесной, потому что её функционирование требует непрерывного поступления из внешней среды энергии или вещества, богатого энергией. В результате такого взаимодействия система извлекает порядок из окружающей среды и тем самым вносит беспорядок в эту среду.

Переход от термодинамики (правильнее термостатики) равновесных состояний к термодинамике неравновесных процессов несомненно, знаменует прогресс в развитии ряда областей науки.