35.Закон возрастания энтропии: 1 и 2 законы термодинамики. Энтропия мера хаоса.

Всякая термодинамическая система в любом состоянии обладает внутренней энергией- энергией теплового (поступательного, вращательного и колебательного) движения молекул и потенциальной энергией их взаимодействия. Возможны 2 способа изменения внутренней энергии термодинамической системы при ее взаимодействии с внешними телами : путем совершения работы и путем теплообмена. Известно, что в процессе превращения энергии выполняется закон сохранения энергии. Поскольку тепловое движение тоже механическое, то при всех превращениях должен выполняться закон сохранения энергии не только внешних, но и внутренних движений. В этом заключается качественная формулировка закона сохранения энергии для термодинамической системы . 1-ое начало термодинамики. Количественная его формулировка : количество теплоты DQ, сообщенное телу , идет на увеличение его внутренней энергии DU и на совершение телом работы DA , т.е. DQ=DU+DA. Из этого следует : невозможен вечный двигатель первого рода, т.е. такой двигатель , который завершил бы работу «из ничего», без внешнего источника энергии . Многочисленные опыты показывают , что все тепловые процессы необратимы в отличие от механического движения . Термодинамические процессы необратимы. (например: расширение газа в пустоту). Всякая предоставленная самой себе система стремится перейти в состояние термодинамического равновесия , в котором тела покоятся друг относительно друга, обладая одинаковыми температурами и давлением . Достигнув этого состояния, система сама по себе из него не выходит. Значит все термодинамические процессы приближающиеся к тепловому равновесию, необратимы. В системе тел , находящихся в термодинамическом равновесии , без внешнего вмешательства невозможны никакие реальные процессы. Следовательно, с помощью тел , находящихся в термодинамическом равновесии , невозможно совершить никакой работы, т.к. работа связана с механическим движение , т.е. с переходом тепловой энергии в кинетическую.

Утверждение о невозможности получения работы за счет энергии тел, находящихся в термодинамическом равновесии , составляет сущность второго начала термодинамики. Двигатель, работающий только за счет энергии, находящихся в тепловом равновесии тел, был бы для практики вечным двигателем. Второе начало термодинамики исключает возможность создания такого вечного двигателя второго рода. Необратимость тепловых процессов имеет вероятностный характер. Самопроизвольный переход тела из равновесного состояния в неравновесное не невозможен, а лишь подавляюще маловероятен. В конечном результате необратимость тепловых процессов обуславливается колоссальностью числа молекул, из которых состоит тело. Количественной характеристикой теплового состояния тела является число микроскопических способов , которыми это состояние может быть осуществлено. Это число называется статистическим весом состояния ; обозначим его буквой Г. тело представленное самому себе , стремится перейти в состояние с большим статистическим весом. Принято пользоваться не самим числом Г, а его логарифмом, который еще умножается на постоянную Больцмана К. Определенную таким образом величину называют энтропией тела.

S=кlnГ. Было введено это понятие Клаузисом в 1865 для определения меры рассеивания. Энтропия в статистической физике - это мера вероятности осуществления какого- либо макроскопического состояния. В теории информации энтропия- это мера неопределенности какого- либо опыта (испытания), который может иметь различные исходы. Закон, определяющий направление тепловых процессов, можно сформулировать как закон возрастания энтропии : для всех происходящих в замкнутой системе тепловых процессов энтропия системы возрастает ; максимально возможное значение энтропии замкнутой системы достигается в тепловом равновесии :DSV0. Данное утверждение принято считать количественной формулировкой второго закона термодинамики, открытого Клаузисом. Идеальному случаю- полностью обратимому процессу замкнутой системы- соответствует не изменяющаяся энтропия. Все естественные процессы происходят так, что вероятность состояния возрастает , что означает переход от порядка к хаосу. Значит энтропия характеризует меру хаоса, которая для всех естественных процессов возрастает. В этой связи закон о невозможности вечного двигателя второго рода , закон о стремлении тел к равновесному состоянию получают свое объяснение. Почему механическое движение упорядочено, а тепловое беспорядочно.

Рассеянная световая волна (предметная волна), попадает на фотопленку. На ту же пластинку падает опрный пучок-часть света от того же лазера, отраженная от зеркала(опорная волна). Для тогочтобы восстановить предметную волну, объект убирают,а голограмму помещают на то же место, где она находилась при съемке. Если включить после этого лазер и посмотреть через Г., то мы увидим предмет на том же месте. Применение Г. разнообразно -распознавание образов, исслед-е неровных поверхностей, морского дна, звукр и радиовидении(визуализация акустических полей) и т.д.

Величину S=k lnГ НАЗЫВАЮТ Энтропией тела , кде к — постонная Больцмана , Г-статистический вес состояния-число микроскопических способов , которыми может быть осуществлено тепловое состояние тела.Деградация энергии — проблема вечного двигателя- механическе движение(упорядоченное) переходит в тепловою(беспорядочное)

В год, когда Карл Маркс основал свой первый Интернационал, дав старт Мировой Революции, призванной разрушить абсолютно все жизненные устои арийской расы, превратив ареал ее обитания в «пустыню населенную белыми рабами», не имеющих никакой, даже личной собственности, немецкий ученый Карл фон Клаузиус ввел в научный мир новое понятие. Это понятие — энтропия. Введение ее было продиктовано осознанием причин односторонности физических процессов и попыткой рассчитать наиболее вероятное направление таких процессов. Он по-своему переформулировал второй закон термодинамики: «любой самопроизвольный процесс в замкнутой термодинамической системе идет с возрастанием энтропии». Людвиг Больцман дал толкование физическому смыслу энтропии — это «мера беспорядка физической системы». Полный порядок — это минимум энтропии, но система предоставленная самой себе, стремится перейти в состояние максимально возможного (в данных условиях) беспорядка. Максимальная энтропия — это полный хаос. Понятно, что больший порядок наличествует в твердых телах, меньший — в жидкостях, самый наименьший — в газах. При всей кажущейся простоте, энтропия понятие исключительное сложное и точно до сих пор полностью неосмысленное. Тогда быстро сообразили, что поскольку все происходящие процессы сопровождаются трением и теплообменом, энтропия окружающего нас мира непрерывно возрастает согласно второму закону термодинамики. Это открытие навело ученых на мысль, что через некоторый промежуток времени вся энергия, имеющаяся во Вселенной, превратится в тепло, равномерно распределенное между всеми телами Вселенной, что приведет к выравниванию температуры и полному прекращению каких бы то ни было превращений тепловой, а значит и механической энергии, к «тепловой смерти Вселенной». Энтропия стала как бы «теневой» стороной любого процесса. Действительно, если часть энергии всегда тратится на совершение работы, а другая рассеивается в окружающую среду, то энтропия этой среды повышается. А энтропия как раз и охватывает ту часть энергии, которая никогда не сможет быть превращена в полезную работу, энтропия — это связанная энергия. Если мы вспомним про десять человек взятых нами в самом начале как опытная модель, то объяснить что такое энтропия в их «человеческом случае» можно следующим образом. Допустим, их всех закрыли в камеру, откуда нет возможности убежать, за исключением варианта — заманить в камеру охранника и забрать у него ключи и оружие. Шанс этой операции будет велик, если действие каждого из этих десяти человек будет строго согласовано с действиями остальных, т. е. действия будут определены и предсказуемы. Действия каждого будут подчинены одной цели. А определенность каждого элемента системы в произвольный момент времени — это минимум энтропии. Минимум энтропии — это максимум организации, это максимальный выход энергии за пределы системы. Теперь рассмотрим другой вариант. Все наши десять человек ненавидят друг друга, между ними постоянно возникают ссоры и драки, а все попытки выработать единый план побега наталкиваются на упрямство каждого. Никто не желает уступать. Что имеет место в данном случае? Энергия каждого из участников группы большая, но направлена не в полезную работу (т. е. реализацию плана побега), но расходуется на бессмысленную вражду, расходуется внутри системы, т. е. является связанной. Понятно, что охрана может спать спокойно. А если она еще и будет поощрять вражду, т. е. играть на рост энтропии, осуществляя старый политический прием «разделяй и властвуй», ей вовсе можно ни за что не опасаться. Вот что такое управление энтропией, управление хаосом, хотя наш пример не совсем корректен и вот почему. Во-первых, число участников — десять — довольно мало, во-вторых (это будет показано позже) биологические формы материи обладают уникальной способностью противодействовать росту энтропии. Ну и будем помнить, что приведенный пример не подпадает под категорию замкнутых систем, поэтому второй закон термодинамики здесь неприменим. Но для первого знакомства с тем, как регулируя отношение «хаос-порядок» можно получать совершенно разный результат, он вполне подходит.

Итак, сформулированный закон возрастания энтропии однозначно привязывал это понятие к времени. Предполагаемая остановка роста энтропии, переход всех процессов в равновесные, казалось бы, подтверждал библейские прогнозы о конце времен.

36. Космологические модели Вселенной (от геоцентризма, гелиоцентризма к модели Большого взрыва и расширяющейся Вселенной).

Космология (космогония) – область науки, изучающая происхождение и развитие вселенной.

1. Геоцентризм.

Космология Аристотеля — геоцентрическая система мира: Земля, имеющая форму шара, неподвижно пребывает в центре Вселенной.

2. Гелиоцентризм.

Николай Коперник (первая научная революция) стал автором гелиоцентрического учения, согласно которому центром Вселенной является Солнце, вокруг которого по своим орбитам движутся планеты, в том числе и Земля. Совершая обращение вокруг Солнца, Земля одновременно вращается и вокруг собственной оси, чем и объясняется смена дня и ночи.

3. Теория стационарного состояния Вселенной.

Основные постулаты:

• Вселенная — это все существующее, «мир в целом». Космология познает мир таким, каким он существует сам по себе, безотносительно к условиям познания.

• Пространство и время Вселенной абсолютны, они не зависят от материальных объектов и процессов.

• Пространство и время метрически бесконечны.

• Пространство и время однородны и изотропны.

• Вселенная стационарна, не претерпевает эволюции. Изменяться могут конкретные космические системы, но не мир в целом.