Принцип возрастания энтропии

    ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

    ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО  ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ 

    КАМСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ИНЖЕНЕРНО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ  АКАДЕМИЯ

    Кафедра «Финансы и бухгалтерский учёт»

    Контрольная работа

    по  дисциплине «Концепции современного естествознания»

    по  теме: Принцип возрастания энтропии.  
 
 
 

    Выполнил:

    Студент Яруллина С.А.

    (Ф.И.О.)

    Группы 5116-в 

    ______________ (подпись)

    «___»__________ 201_ г. 
 

    Проверил:

    Милованов В.Н 

    (ученое  звание Ф.И.О.) 

    ______________ (подпись)

    «___»__________ 201_ г. 
 
 
 
 
 

      Набережные Челны, 2010

     Содержание

Введение……………………………………………………………………………..3

1. I начало термодинамики…………………………………………………………6

2. Обратимые и необратимые процессы…………………………………………...9

3. Понятие об энтропии. II начало термодинамики……………………………...12

4 Проблема тепловой смерти Вселенной и флуктуационная гипотеза Больцмана…………………………………………………………………………...14

Заключение………………………………………………………………………….16

Список литературы…………………………………………………………………17

      Введение

     Во  второй половине XX века произошли два события, которые, на наш взгляд, в значительной мере определяют дальнейшие пути научного постижения мира. Речь идет о создании теории информации и о начале исследований механизмов антиэнтропийных процессов, для изучения которых синергетика привлекает все новейшие достижения неравновесной термодинамики, теории информации и общей теории систем.

     Принципиальное  отличие данного этапа развития науки от предшествующих этапов заключается  в том, что до создания перечисленных  направлений исследований наука способна была объяснить лишь механизмы процессов, приводящих к увеличению хаоса и возрастанию энтропии. Что касается разрабатываемых со времен Ламарка и Дарвина биологических и эволюционных концепций, то они и по сей день не имеют строгих научных обоснований и противоречат Второму началу термодинамики, согласно которому сопровождающее все протекающие в мире процессы возрастание энтропии есть непременный физический закон.

     Заслуга неравновесной термодинамики заключается  в том, что она сумела выявить  механизмы антиэнтропийных процессов, не противоречащих второму началу термодинамики, поскольку локальное уменьшение энтропии внутри самоорганизующейся системы всегда оплачивается большим по абсолютной величине возрастанием энтропии внешней среды.

     Важнейшим шагом на пути постижения природы и механизмов антиэнтропийных процессов следует введение количественной меры информации. Первоначально эта мера предназначалась лишь для решения сугубо прикладных задач техники связи. Однако последующие исследования в области физики и биологии позволили выявить универсальные меры, предложенные К.Шенноном, позволяющие установить взаимосвязь между количеством информации и физической энтропией и в конечном счете определить сущность новой научной интерпретации понятия «информация» как меры структурной упорядоченности самых разнообразных по своей природе систем.

     Используя метафору, можно сказать, что до введения в науку единой информационной количественной меры представленный в естественно-научных понятиях мир как бы «опирался на двух китов»: энергию и вещество. «Третьим китом» оказалась теперь информация, участвующая во всех протекающих в мире процессах, начиная от микрочастиц, атомов и молекул и кончая функционированием сложнейших биологических и социальных систем.

     Естественно, возникает вопрос: подтверждают или опровергают эволюционную парадигму происхождения жизни и биологических видов новейшие данные современной науки?

     Для ответа на этот вопрос необходимо прежде всего уяснить, какие именно свойства и стороны многогранного понятия «информация» отражает та количественная мера, которую ввел в науку К.Шеннон.

     Использование меры количества информации позволяет  анализировать общие механизмы  информационно-энтропийных взаимодействий, лежащих в основе всех самопроизвольно  протекающих в окружающем мире процессов накопления информации, которые приводят к самоорганизации структуры систем.

     Вместе  с тем информационно-энтропийный  анализ позволяет выявить и пробелы  эволюционных концепций, представляющих собой не более чем несостоятельные  попытки сведения к простым механизмам самоорганизации проблему происхождения жизни и биологических видов без учета того обстоятельства, что системы такого уровня сложности могут быть созданы лишь на основе той информации, которая изначально заложена в предшествующий их сотворению план.

     Проводимые  современной наукой исследования свойств  информационных систем дают все основания  утверждать, что все системы могут  формироваться только согласно спускаемым с верхних иерархических уровней  правилами, причем сами эти правила  существовали раньше самих систем в форме изначального плана (идеи творения).

     В настоящее время теплосиловые и  тепловые установки получили широкое  распространение в различных  отраслях народного хозяйства. На промышленных предприятиях они составляют основную важнейшую часть технологического оборудования. Наука, изучающая методы использования энергии топлива, законы процессов изменения состояния вещества, принципы работы различных машин и аппаратов, энергетических и технологических установок, называется теплотехникой. Теоретическими основами теплотехники являются термодинамика и теория теплообмена.

     Термодинамика опирается на фундаментальные законы (начала), которые являются обобщением наблюдений над процессами, протекающими в природе независимо от конкретных свойств тел. Этим объясняется универсальность закономерностей и соотношений между физическими величинами, получаемых при термодинамических исследованиях.

     Первый  закон термодинамики характеризует  и описывает процессы превращения  энергии с количественной стороны  и дает все необходимое для составления энергетического баланса любой установки или процесса.

     Второй  закон термодинамики, являясь важнейшим  законом природы, определяет направление, по которому протекают термодинамические  процессы, устанавливает возможные  пределы превращения теплоты в работу при круговых процессах, позволяет дать строгое определение таких понятий, как энтропия, температура и т.д.

     В качестве третьего начала термодинамики  принимается принцип недостижимости абсолютного нуля.

     В теории теплообмена изучаются закономерности переноса теплоты из одной области пространства в другую. Процессы переноса теплоты представляют собой процессы обмена внутренней энергией между элементами рассматриваемой системы в форме теплоты.

1. I начало термодинамики

     Первое  начало термодинамики — один из трёх основных законов термодинамики, представляет собой закон сохранения энергии для термодинамических систем.

     Первое  начало термодинамики было сформулировано в середине XIX века в результате работ  немецкого учёного Ю. Р. Майера, английского физика Дж. П. Джоуля и немецкого физика Г. Гельмгольца[1]. Согласно первому началу термодинамики, термодинамическая система может совершать работу только за счёт своей внутренней энергии или каких-либо внешних источников энергии. Первое начало термодинамики часто формулируют как невозможность существования вечного двигателя первого рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника.

     Существует  несколько эквивалентных формулировок первого начала термодинамики:

• Количество теплоты, полученное системой, идёт на изменение её внутренней энергии и совершение работы против внешних сил.
• Изменение внутренней энергии системы при переходе её из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе и не зависит от способа, которым осуществляется этот переход.
• Изменение полной энергии системы в квазистатическом процессе равно количеству теплоты Q, сообщённому системе, в сумме с изменением энергии, связанной с количеством вещества N при химическом потенциале μ, и работы A', совершённой над системой внешними силами и полями, за вычетом работы A, совершённой самой системой против внешних сил.

     ΔU = Q − A + μΔN + A'.

     Для элементарного количества теплоты  δQ, элементарной работы δA и малого приращения dU внутренней энергии первый закон термодинамики имеет вид:

     dU = δQ − δA + μdN + δA'.

     Разделение  работы на две части, одна из которых  описывает работу, совершённую над  системой, а вторая — работу, совершённую  самой системой, подчёркивает, что  эти работы могут быть совершены силами разной природы вследствие разных источников сил.

     Важно заметить, что dU и dN являются полными  дифференциалами, а δA и δQ — нет.

Рассмотрим  несколько частных случаев:

     Если  δQ > 0, то это означает, что тепло  к системе подводится.

      Если  δQ < 0, аналогично — тепло отводится.

     Если  δQ = 0, то система не обменивается теплом с окружающей средой и называется адиабатически изолированной.

     Обобщая: в конечном процессе 1 → 2 элементарные количества теплоты могут быть любого знака. Общее количество теплоты, которое мы назвали просто Q — это алгебраическая сумма количеств теплоты, сообщаемых на всех участках этого процесса. В ходе процесса теплота может поступать в систему или уходить из неё разными способами.

     При отсутствии работы над системой и потоков энергии-вещества, когда δA' = 0, δQ = 0, dN = 0, выполнение системой работы δA приводит к тому, что ΔU < 0, и энергия системы U убывает. Поскольку запас внутренней энергии U ограничен, то процесс, в котором система бесконечно долгое время выполняет работу без подвода энергии извне, невозможен, что запрещает существование вечных двигателей первого рода.

     Первое  начало термодинамики:

• при изобарном процессе

Q = ∆U + A = ∆U + p∆V

• при изохорном процессе (A = 0)

Q = ∆U = C_V∆T

• при изотермическом процессе (ΔU = 0)

Q = A = PTln

     Здесь  m — масса газа, M  — молярная масса газа, C_V — молярная теплоёмкость при постоянном объёме, p, V, T — давление, объём и температура газа соответственно, причём последнее равенство верно только для идеального газа. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Обратимые и необратимые процессы.

     Процесс называется равновесным, если в прямом и обратном направлении проходит через одни и те же состояния бесконечно близкие к равновесию. Работа равновесного процесса имеет максимальную величину по сравнению с неравновесными процессами и называется максимальной работой.

     Если  равновесный процесс протекает  в прямом, а затем в обратном направлении так, что не только система, но и окружающая среда возвращается в исходное состояние и в результате процесса не остается никаких изменений во всех участвовавших в процессе телах, то процесс называется обратимым.

     Обратимый процесс – такая же абстракция, что и идеальный газ.

     Крайние случаи необратимых процессов: переход  энергии от горячего тела к холодному в форме теплоты при конечной разнице температур, переход механической работы в теплоту при трении, расширение газа в пустоту, диффузия, взрывные процессы, растворение в ненасыщенном растворе.

     Эти необратимые процессы идут самопроизвольно без воздействия извне и приближают систему к равновесию.

     По  второму началу термодинамики в  природе возможны процессы, при которых  превращение теплоты в работу связано с компенсацией, и невозможны процессы, при которых такое превращение  не сопровождается компенсацией. Это приводит к делению всех процессов в замкнутой системе на обратимые и необратимые. Процесс перехода системы из состояния 1 в 2 называется обратимым, если возвращение этой системы в исходное состояние из 2 в 1 можно осуществить без каких бы то ни было изменений в окружающих внешних телах. Процесс же перехода системы из состояния 1 в 2 называется необратимым, если обратный переход системы из 2 в нельзя осуществить без изменений в окружающих телах. Очевидно, что всякий квазистатический процесс является обратимым. Действительно, при квазистатическом процессе состояние системы в каждый момент полностью определяется внешними параметрами и температурой, поэтому при равновесных изменениях этих параметров в обратном порядке система также в обратном порядке пройдет все состояния и придет в начальное состояние, не вызвав никакого изменения в окружающих телах.

     При процессах с трением, как мы отмечали, работа может быть без компенсации  превращена в теплоту; так как  обратный переход системы из конечного состояния в начальное связан с переходом теплоты в работу, а это невозможно осуществить без изменения в окружающих телах, то, следовательно, процессы с трением необратимы. А так как всякий равновесный процесс обратим, то необратимый процесс с трением неравновесен.

     Мерой необратимости процесса в замкнутой  системе является изменение новой  функции состояния - энтропии, существование  которой у равновесной системы  устанавливает первое положение  второго начала о невозможности  вечного двигателя второго рода. Однозначность этой функции состояния приводит к тому, что всякий необратимый процесс является неравновесным. Верно и обратное заключение: всякий неравновесный процесс необратим, если в дополнение ко второму началу осуществляется достижимость любого состояния неравновесно, когда оно достижимо из данного равновесно [вся современная практика подтверждает выполнение этого условия; однако противоположное условие выполняется не всегда]. Деление процессов на обратимые и необратимые относится лишь к процессам, испытываемым изолированной системой в целом; разделение же процессов на равновесные и неравновесные с этим не связано.

     В качестве примеров необратимых процессов  приведем следующие:

     1. Процесс теплопередачи при конечной  разности температур, необратим, так как обратный переход связан с отнятием определенного количества теплоты у холодного тела, превращением его без компенсации (некомпенсировано) в работу и затратой ее на увеличение энергии нагретого тела. Необратимость этого процесса видна также из того, что он не статичен.

     2. Расширение газа в пустоту  необратимо, так как при таком  расширении не совершается работа, а сжать газ так, чтобы не  совершить работу, нельзя. Произведенная  же при сжатии работа идет  на нагревание газа. Чтобы газ  не нагревался, нужно отнять у него теплоту и превратить ее в работу, что невозможно без компенсации.

     3. Процесс диффузии необратим. Действительно,  если в сосуде с двумя различными  газами, разделенными перегородкой, снять перегородку, то каждый  газ будет диффундировать в другой.

     Для разделения газов каждый из них нужно  сжимать. Чтобы они не нагревались, необходимо отнять у них теплоту  и превратить ее в работу, что  невозможно без изменения в окружающих телах. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Понятие об энтропии. II начало термодинамики.

      Первое  начало термодинамики позволяет  определить, возможен ли с энергетической точки зрения тот или иной процесс  в замкнутой системе. Но оно ничего не говорит о возможных направлениях процессов (в частности самопроизвольных). Так, например, первый закон не запрещает самопроизвольного перехода теплоты от холодного тела к горячему, либо концентрирования газа в малой части сосуда и снижения давления в остальной части сосуда. Но, как известно, в природе такие процессы не наблюдаются.

      Для суждения о возможном направлении процессов в термодинамике вводится еще одна функция состояния - энтропия.

     Второе  начало термодинамики - один из принципов  термодинамики, постулирует существование  еще одной функции состояния - энтропии и определяет характер ее изменения в обратимых и необратимых процессах, утверждая, что изменение энтропии в макросистемах больше или равно изменению приведенной теплоты для неравновесных и равновесных процессов соответственно.

     Математическим  выражением второго начала термодинамики  является соотношение между элементарным изменением энтропии и приведенной теплотой:

      . (12)

     Воспользуемся первым началом термодинамики и  выразим в выражении (12) количество теплоты dQ через изменение внутренней энергии dE и элементарную работу dA.

     Получим:

      (13)

     Знак  равенства в выражении (13) соответствует  обратимым процессам, неравенство  характеризует изменение энтропии в неравновесных процессах. Таким  образом, для равновесных процессов  из выражения (13) имеем равенство:

     TdS = dE + dA, (14)

     называемое  основным уравнением термодинамики  для равновесных процессов, и  неравенство:

     TdS>dE + dA, (15)

     называемое  основным неравенством термодинамики  для неравновесных процессов.

     Процессы  в макросистемах могут протекать  только при условии выполнения соотношений (12).

     Существует  несколько эквивалентных формулировок второго начала термодинамики, они  отражают исторический ход развития знаний в этой области и подчеркивают различные стороны проблемы.

     Формулировка  Клаузиуса (1850): процесс, при котором в системе не происходит никаких изменений, кроме передачи теплоты от горячего тела к холодному, является необратимым; иначе говоря, теплота не может самопроизвольно перейти от более холодного тела к более горячему без каких-либо других изменений в системе.

     Формулировка  Томсона (Кельвина) (1851): процесс, при  котором теплота переходит в  работу, является необратимым; иначе  говоря, невозможно преобразовать в  работу всю теплоту, взятую от тела с однородной температурой, не производя  никаких других изменений в состоянии системы.

     Принцип невозможности создания вечного  двигателя второго рода: невозможно создать периодически работающую машину, которая производила бы работу за счет поглощения теплоты одного теплового резервуара, не вызывая при этом никаких других изменений состояния системы. (Такую воображаемую машину принято называть вечным двигателем второго рода) 
 
 
 
 

4. Проблема  тепловой смерти Вселенной и флуктуационная гипотеза Больцмана.

     Дальнейшее  развитие принципа необратимости, принципа возрастания энтропии состояло в распространении этого принципа на Вселенную в целом, что и было сделано Клаузиусом. Итак, согласно второму началу все физические процессы протекают в направлении передачи тепла от более горячих тел к менее горячим, а это означает, что медленно, но верно идет процесс выравнивания температуры во Вселенной. Следовательно, в будущем ожидается исчезновение температурных различий и превращение всей мировой энергии в тепловую, равномерно распределенную во Вселенной. Вывод Клаузиуса был следующим:

     1. Энергия мира постоянна.

     2. Энтропия мира стремится к  максимуму.

     Таким образом, тепловая смерть Вселенной  означает полное прекращение всех физических процессов вследствие перехода Вселенной  в равновесное состояние с  максимальной энтропией.

     Современное естествознание отвергает концепцию “тепловой смерти” применительно к Вселенной в целом. Дело в том,что Клаузиус прибегнул в своих рассуждениях к следующим экстраполяциям:

     1. Вселенная рассматривается как  замкнутая система.

     2. Эволюция мира может быть описана как смена его состояний.

     Для мира как целого состояния с максимальной энтропией имеет смысл, как и  для любой конечной системы.

     Правомочность этих экстраполяций весьма сомнительна, хотя связанные с ними проблемы представляют трудность и для современной  физической теории.

     Флуктуации. Проблему будущего развития Вселенной  пытался разрешить Л. Больцман. Он так же считал Вселенную замкнутой  изолированной системой, однако применил к ней понятия флуктуации.

     Под флуктуацией физической величины понимается отклонение истинного значения величины от ее среднего значения, обусловленное хаотическим тепловым движением частиц системы.

     Больцман  рассматривал видимую часть Вселенной  как небольшую область бесконечной  Вселенной. Для такой области  допустимы флуктуационные отклонения от равновесия, благодаря чему в целом исчезает необратимая эволюция Вселенной к хаосу и тепловой смерти.

     Следует сказать, что Больцман находился  под сильным влиянием теории Ч. Дарвина, называя XIX век веком Дарвина. В  эволюционной теории роль флуктуаций так же велика. Ведь эволюция – это путь от случайных флуктуаций видов в сторону возрастания сложности, порядка. В то же время в физике, согласно второму началу – все наоборот, т.е. необратимость ведет к разрушению порядка. Больцман, таким образом, попытался снять это противоречие, создать теорию эволюции системы к равновесию.

     Теория  флуктуаций развивалась и после  трагической смерти Л. Больцмана  в 1906 г., в частности, в трудах Эйнштейна  и Смолуховского.

     В настоящее время проблема самоорганизации  сложных систем рассматриваются в рамках нового междисциплинарного направления – синергетики. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Заключение.

     Подводя итог всему, что было сказано выше, отметим, что по мере того, как рациональная наука все глубже и глубже постигает  сложность организации существующих в мире систем она все в большей мере осознает недостаточность ранее признанных редукционистских концепций. Поиски источников информации определяющей структуры и функции сложных систем, приводят науку к необходимости создания телеологических концепций, то есть, в конечном счете, к признанию некого организующего начала, которое и есть не что иное, как проявление воли Творца.

     В связи с тем, что непрерывное  получение работы из теплоты возможно только при условии передачи части  отбираемой от горячего источника теплоты холодному источнику, следует подчеркнуть важную особенность тепловых процессов: механическую работу, электрическую работу, работу магнитных сил и т.д. можно без остатка превратить в теплоту. Что же касается теплоты, то только часть ее может превращена в периодически повторяющемся процессе в механическую и другие виды работ; другая ее часть неизбежно должна быть передана холодному источнику. Этой важнейшей особенностью тепловых процессов определяется то особое положение, которое занимает процесс получения работы из теплоты любых других способов получения работы (например, получения механической работы за счет кинетической энергии тела, получения электроэнергии за счет механической работы, производства работы магнитным полем за счет электроэнергии и т.д.). При каждом из этих способов преобразования часть энергии должна затрачиваться на неизбежные необратимые потери, такие как трение, электросопротивление, магнитная вязкость и др., переходя при этом в теплоту.