40) Внутренняя энергия

энергия тела, зависящая только от его внутреннего состояния. Понятие В. э. объединяет все виды энергии тела, за исключением энергии его движения как целого и потенциальной энергии, которой тело может обладать, если оно находится в поле каких-нибудь сил (например, в поле сил тяготения).

Понятие В. э. ввёл У. Томсон (1851), определив изменение В. э. (ΔU) тела (физической системы) в каком-нибудь процессе как алгебраическую сумму количества теплоты Q которой система обменивается в ходе процесса с окружающей средой, и работы А, совершённой системой или произведённой над ней:

ΔU = Q - A (1)

Принято считать работу А положительной, если она производится системой над внешними телами, а количество теплоты Q положительным, если оно передаётся системе. Уравнение (1) выражает Первое начало термодинамики — закон сохранения энергии в применении к процессам, в которых происходит передача теплоты.

Согласно закону сохранения энергии, В. э. является однозначной функцией состояния физической системы, т. е. однозначной функцией независимых переменных, определяющих это состояние, например, температуры Т и объёма V или давления р. Хотя каждая из величин (Q и A) зависит от характера процесса, переводящего систему из состояния с В. э. U1 в состояние с энергией U2, однозначность В. э. приводит к тому, что ΔU определяется лишь значениями В. э. в начальном и конечном состояниях: ΔU = U2 — U1. Для любого замкнутого процесса, возвращающего систему в первоначальное состояние (U2 = U1), изменение В. э. равно нулю и Q = А (см. Круговой процесс).

Изменение В. э. системы в адиабатном процессе (См. Адиабатный процесс) (при отсутствии теплообмена с окружающей средой, т. е. при Q = 0) равно работе, производимой над системой или произведённой системой.

В случае простейшей физической системы — идеального газа (См. Идеальный газ) — изменение В. э., как показывает кинетическая теория газов, сводится к изменению кинетической энергии молекул, определяемой температурой (см. Газы). Поэтому изменение В. э. идеального газа (или близких к нему по свойствам газов с малым межмолекулярным взаимодействием) определяется только изменением его температуры (закон Джоуля). В физических системах, частицы которых взаимодействуют между собой (реальные газы, жидкости, твёрдые тела), В. э. включает также энергию межмолекулярных и внутримолекулярных взаимодействий. В. э. таких систем зависит как от температуры, так и от давления (объёма).

Экспериментально можно определить только прирост или убыль В. э. в физическом процессе (за начало отсчёта можно взять, например, исходное состояние). Методы статистической физики (См. Статистическая физика) позволяют, в принципе, теоретически рассчитать В. э. физической системы, но также лишь с точностью до постоянного слагаемого, зависящего от выбранного нуля отсчёта.

В области низких температур с приближением к абсолютному нулю (—273,16°С) В. э. конденсированных систем (жидких и твёрдых тел) приближается к определённому постоянному значению U 0, становясь независимой от температуры (см. Третье начало термодинамики). Значение U 0 может быть принято за начало отсчёта В. э.

В. э. относится к числу основных термодинамических потенциалов (см. Потенциалы термодинамические). Изменение В. э. при постоянных объёме и температуре системы характеризует Тепловой эффект реакции, а производная В. э. по температуре при постоянном объёме определяет Теплоёмкость системы.

41) ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС всякое изменение, происходящее в термодинамич. системе и связанное с изменением хотя бы одного из её параметров состояния. Различают обратимые процессы, необратимые процессы и квазистатические процессы. Частные случаи Т. п.:

Обратимые и необратимые процессы, пути изменения состояния термодинамической системы. Процесс называют обратимым, если он допускает возвращение рассматриваемой системы из конечного состояния в исходное через ту же последовательность промежуточных состояний, что и в прямом процессе, но проходимую в обратном порядке. При этом в исходное состояние возвращается не только система, но и среда. Обратимый процесс возможен, если и в системе, и в окружающей среде он протекает равновесно. При этом предполагается, что равновесие существует между отдельными частями рассматриваемой системы и на границе с окружающей средой. Обратимый процесс - идеализированный случай, достижимый лишь при бесконечно медленном изменении термодинамических параметров. Скорость установления равновесия должна быть больше, чем скорость рассматриваемого процесса. Если невозможно найти способ вернуть и систему, и тела в окружающей среде в исходное состояние, процесс изменения состояния системы называют необратимым.

Необратимые процессы могут протекать самопроизвольно только в одном направлении; таковы диффузия, теплопроводность, вязкое течение и другое. Для химической реакции применяют понятия термодинамической и кинетической обратимости, которые совпадают только в непосредственной близости к состоянию равновесия. Р-ция А + В С + D наз. кинетически обратимой или двусторонней, если в данных условиях продукты С и D могут реагировать друг с другом с образованием исходных веществ А и В. При этом скорости прямой и обратной реакций, соотв. , где и -константы скорости, [А], [В], [С], [D]- текущие концентрации (активности), с течением времени становятся равными и наступает химическое равновесие, в котором -константа равновесия, зависящая от температуры. Кинетически необратимыми (односторонними) являются обычно такие реакции, в ходе которых хотя бы один из продуктов удаляется из зоны реакции (выпадает в осадок, улетучивается или выделяется в виде малодиссоциированного соединения), а также реакции, сопровождающиеся выделением большого кол-ва тепла.

На практике нередко встречаются системы, находящиеся в частичном равновесии, т.е. в равновесии по отношению к определенного рода процессам, тогда как в целом система неравновесна. Например, образец закаленной стали обладает пространственной неоднородностью и является системой, неравновесной по отношению к диффузионным процессам, однако в этом образце могут происходить равновесные циклы механической деформации, поскольку времена релаксации диффузии и деформации в твердых телах отличаются на десятки порядков. Следовательно, процессы с относительно большим временем релаксации являются кинетически заторможенными и могут не приниматься во внимание при термодинамич. анализе более быстрых процессов.

Цикл Карно́ — идеальный термодинамический цикл. Тепловая машина Карно, работающая по этому циклу, обладает максимальным КПД из всех машин, у которых максимальная и минимальная температуры осуществляемого цикла совпадают соответственно с максимальной и минимальной температурами цикла Карно. Состоит из 2 адиабатических и 2 изотермических процессов.

Цикл Карно назван в честь французского военного инженера Сади Карно, который впервые его исследовал в 1824 году.

Одним из важных свойств цикла Карно является его обратимость: он может быть проведён как в прямом, так и в обратном направлении, при этом энтропия адиабатически изолированной (без теплообмена с окружающей средой) системы не меняется.

42) Второе начало термодинамики — физический принцип, накладывающий ограничение на направление процессов передачи тепла между телами.

Второе начало термодинамики гласит, что невозможен самопроизвольный переход тепла от тела, менее нагретого, к телу, более нагретому.

Второе начало термодинамики запрещает так называемые вечные двигатели второго рода, показывая невозможность перехода всей внутренней энергии системы в полезную работу.

Второе начало термодинамики является постулатом, не доказываемым в рамках термодинамики. Оно было создано на основе обобщения опытных фактов и получило многочисленные экспериментальные подтверждения.

Формулировки

Существуют несколько эквивалентных формулировок второго начала термодинамики:

• Постулат Клаузиуса: «Невозможен процесс, единственным результатом которого являлась бы передача тепла от более холодного тела к более горячему»[1] (такой процесс называется процессом Клаузиуса).

• Постулат Томсона: «Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара» (такой процесс называется процессом Томсона).

43) Молекулярно-кинетическая теория (сокращённо МКТ) — теория XIX века, рассматривавшая строение вещества, в основном газов, с точки зрения трёх основных приближенно верных положений:

• все тела состоят из частиц, размером которых можно пренебречь: атомов, молекул и ионов;

• частицы находятся в непрерывном хаотическом движении (тепловом);

• частицы взаимодействуют друг с другом путём абсолютно упругих столкновений.

Основными доказательствами этих положений считались:

• Диффузия

• Броуновское движение

• Изменение агрегатных состояний вещества

В современной (теоретической) физике термин молекулярно-кинетическая теория уже не используется, хотя он встречается в учебниках по курсу общей физики. В современной физике МКТ заменила кинетическая теория, в русскоязычной литературе — физическая кинетика, и статистическая механика. В этих разделах физики изучаются не только молекулярные (атомные или ионные) системы, находящиеся не только в «тепловом» движении, и взаимодействующие не только через абсолютно упругие столкновения.

44) –

45) Информацио́нная энтропи́я — мера хаотичности информации, неопределённость появления какого-либо символа первичного алфавита. При отсутствии информационных потерь численно равна количеству информации на символ передаваемого сообщения.

Например, в последовательности букв, составляющих какое-либо предложение на русском языке, разные буквы появляются с разной частотой, поэтому неопределённость появления для некоторых букв меньше, чем для других. Если же учесть, что некоторые сочетания букв (в этом случае говорят об энтропии n-ого порядка, см. ниже) встречаются очень редко, то неопределённость ещё более уменьшается.

Для иллюстрации понятия информационной энтропии можно также прибегнуть к примеру из области термодинамической энтропии, получившему название демона Максвелла. Концепции информации и энтропии имеют глубокие связи друг с другом, но, несмотря на это, разработка теорий в статистической механике и теории информации заняла много лет, чтобы сделать их соответствующими друг другу.

Энтропия — это количество информации, приходящейся на одно элементарное сообщение источника, вырабатывающего статистически независимые сообщения.

Информация (от лат. informatio -- осведомление, разъяснение, изложение, от лат. informare -- придавать форму) -- в широком смысле абстрактное понятие, имеющее множество значений, в зависимости от контекста. В узком смысле этого слова -- сведения (сообщения) независимо от формы их представления.

Источники, средства хранения и передачи данных и информации одни и те же -- это вызывает впечатление, что это слова синонимы, но различить их легко, если понимать, что информация -- это структурированная (имеющая форму) часть «объёма» данных. Часто информацией называют любые данные или сведения, которые кого-либо интересуют, например сообщение о каких-либо событиях, о чьей-либо деятельности и т. п. «Информировать» в этом смысле означает «сообщить нечто, неизвестное раньше». Информация -- сведения об объектах и явлениях окружающей среды, их параметрах, свойствах и состоянии, которые воспринимают информационные системы (живые организмы, управляющие машины и др.) в процессе жизнедеятельности и работы. Одно и то же информационное сообщение (статья в газете, объявление, письмо, телеграмма, справка, рассказ, чертеж, радиопередача и т. п.) может содержать разное количество информации для разных людей в зависимости от их накопленных знаний, от уровня понимания этого сообщения и интереса к нему. Так, сообщение, составленное на японском языке, не несет никакой новой информации человеку, не знающему этого языка, но может быть высокоинформативным для человека, владеющего японским. Никакой новой информации не содержит и сообщение, изложенное на знакомом языке, если его содержание непонятно или уже известно.

Информация и энтропия характеризуют сложную систему с точки зрения упорядоченности и хаоса, причем если информация -- мера упорядоченности, то энтропия -- мера беспорядка. Эта мера простирается от максимальной энтропии, т.е. хаоса, полной неопределенности до высшего уровня порядка.

Если система эволюционирует в направлении упорядоченности, то ее энтропия уменьшается. Итак, уровень организованности определяется уровнем информации, на котором находится система. Следовательно, количество информации, необходимое для перехода из одного уровня организации в другой (качественно более высокий), можно определить как разность энтропии. Уменьшение энтропии происходит в результате информационно-управленческого процесса за счет обмена с внешней средой веществом, энергией и информацией. Человек постоянно борется с энтропии ей информацией: «Мы плывем вверх по течению, борясь с огромным потоком дезорганизованности, которая в соответствии со вторым законом термодинамики стремится все свести к тепловой смерти -- всеобщему равновесию и одинаковости, т.е. энтропии. В мире, где энтропия в целом стремится к возрастанию, существуют местные временные островки уменьшающейся энтропии -- это области прогресса».

46) Открытая система в физике — физическая система, которую нельзя считать закрытой по отношению окружающей среде в каком-либо аспекте — информационном, вещественном, энергетическом и т. д. Открытые системы могут обмениваться веществом, энергией, информацией с окружающей средой. Открытые системы активно взаимодействуют с внешней средой, причем наблюдатель прослеживает это взаимодействие не полностью. Взаимодействие с окружающей средой, характеризуется высокой неопределенностью.

При определенных условиях открытая система может достигать стационарного состояния, в котором ее структура или важнейшие структурные характеристики остаются постоянными, в то время как система осуществляет со средой обмен веществом, информацией или энергией. Открытые системы в процессе взаимодействия со средой могут достигать так называемого эквифинального состояния, то есть состояния, определяющегося лишь собственной структурой системы и не зависящего от начального состояния среды.

Открытые системы могут сохранять высокий уровень организованности и развиваться в сторону увеличения порядка и сложности, что является одной из наиболее важных особенностей процессов самоорганизации.

Понятие открытой системы является одним из основных в синергетике, неравновесной термодинамике, в статистической физике и в квантовой механике.

Открытые системы имеют важное значение не только в физике, но и в общей теории систем, биологии, кибернетике, информатике, экономике. Биологические, социальные и экономические системы необходимо рассматривать как открытые, поскольку их связи со средой имеют первостепенное значение при их моделировании и описании.

НЕРАВНОВЕСНОЕ СОСТОЯНИЕ - состояние термодинамической системы, характеризующееся неоднородностью распределения температуры, давления, плотности, концентраций компонентов или каких-либо других макроскопических параметров в отсутствие внешних полей или вращения системы как целого. Неоднородность системы приводит к необратимым процессам, в результате которых изолированная система достигает равновесия.