загрузка...
 
6.3  Ентропія, замкнені та відкриті системи
Повернутись до змісту

6.3  Ентропія, замкнені та відкриті системи

Напрямок можливих процесів у природі визначається другим початком термодинаміки: теплота не може переходити спонтанно від тіла з нижчою температурою до тіла з вищою температурою. Згідно з цим початком деяка частина механічної енергії системи завжди розсіюється у вигляді тепла і тому не може бути відновлена. Тобто всі процеси у природі мають визначений напрямок розвитку, і зворотні процеси неможливі.

Для визначення напрямку процесів, що відбуваються у природі, в термодинаміці використовується поняття ентропії.

Під ентропією розуміють міру невпорядкованості системи. З використанням цього поняття другий початок термодинаміки можна сформулювати таким чином: у замкненій, тобто ізольованій в тепловому і механічному відношенні, системі ентропія або залишається незмінною (якщо в системі проходять зворотні рівноважні процеси), або зростає (при нерівноважних процесах) і в стані рівноваги досягає максимуму, тобто процеси незворотні і можуть мимоволі протікати тільки в одному напрямі.

 Замкненою називається система, що не обмінюється із зовнішнім середовищем ні енергією, ні речовиною, ні інформацією.

Фізичне значення зростання ентропії зводиться до того, що ізольована система, яка складається з деякої кількості частинок, прагне перейти в стан з найменшою впорядкованістю їх руху.

Таким чином, другий початок термодинаміки є статистичним законом. Він виражає необхідні закономірності хаотичного руху великого числа частинок, що входять до складу замкненої системи.

Стан, який здійснюється за допомогою невеликого числа способів, називають упорядкованим і невипадковим. Стан, який здійснюється багатьма способами, є хаотичним і випадковим. Таким чином, ентропія термодинамічної системи є мірою хаосу у системі. Чим більша ентропія, тим менше в системі упорядкованості.  Ця обставина пояснює зміст другого закону термодинаміки. Згідно з другим законом термодинаміки ентропія замкненої системи не зменшується.

Це означає, що всі процеси в природі проходять зі стану з меншою ймовірністю в стан з більшою ймовірністю.

Клаузіус, розглядаючи другий початок термодинаміки, дійшов висновку, що ентропія Всесвіту як замкненої системи прагне до максимуму, і врешті-решт у Всесвіті закінчаться всі макроскопічні процеси. Цей стан Всесвіту отримав назву «теплової смерті».

"Теплова смерть" Всесвіту ? гіпотеза, висунута Р.Клаузіусом (R. Clausius, 1865) як екстраполяція другого початку термодинаміки на весь Всесвіт. Згідно з Клаузіусом, "енергія світу постійна, ентропія світу прагне до максимуму". Тобто Всесвіт має прийти в стан повної термодинамічної рівноваги (стан "теплової смерті").

При цьому ніякого спрямованого обміну енергією спостерігатися не буде, оскільки всі види енергії перейдуть у теплову.

Термодинаміка розглядає систему, що знаходиться в стані теплової смерті, як систему, в якій термодинамічна ентропія максимальна.

Другий закон термодинаміки в його формулюванні через поняття ентропії має такий зміст: самоупорядкування замкненої системи приводить її до хаосу ? стану термодинамічної рівноваги як найбільш імовірному.

Класична термодинаміка займалася вивченням перетворення в замкнених ізольованих системах, тобто системах, які не обмінюються енергією і речовиною із зовнішнім середовищем, в яких вільна енергія переходить у теплову з подальшим перетворенням порядку на випадковість.

Відкритими є всі інші системи.

Однак екстраполяція другого початку термодинаміки, встановленого в лабораторних умовах, на весь Всесвіт необґрунтована. Всесвіт не є звичайною замкненою ізольованою системою, для якої формулюються закони термодинаміки.

Другий початок термодинаміки виявляється не придатним для аналізу процесів у Всесвіті, де з холодних туманностей виникають гарячі зірки. Йому суперечить і той факт, що всім реальним системам з безладом властиві упорядкування і самоорганізація. Тобто хаос може приводити до порядку. Наука, що вивчає процеси самоорганізації в складних відкритих нерівноважних системах, називається синергетикою. Виникнення порядку з хаосу згідно з синергетичними уявленнями ? це процес самоорганізації матерії на основі випадкового пошуку. І в цьому полягає сутність еволюції Всесвіту.

У процесі еволюції система прагне до атрактору (атрактор ? стійкий стан динамічної системи) з усіх інших, нестійких, станів. Всесвіт завжди само ускладнювався, і цей процес, що почався 15-20 млрд років тому, триває до цих пір.

Таким чином, вважається, що в природі існують два переходи порядок?>хаос і його протилежність хаос?>порядок.

Як було сказано вище, в ізольованих системах (але не завжди) йде процес переходу порядку в хаос. У відкритих системах, через які проходять творчі потоки енергії, можуть йти процеси самоорганізації, і на тлі хаосу народжується порядок.

Зосередивши всю увагу на поступових змінах, що відбуваються в замкнених системах, класична термодинаміка випустила з уваги реальні системи, що існують у навколишньому нас світі, ? нерівноважні системи, що еволюціонують нелінійно і відкриті для потоків енергії з навколишнього середовища і в навколишнє середовище. Такі системи лежать в основі життя: як відмітив у середині ХХ ст. Шредінгер, “життя харчується негентропією”.

Новий порядок виникає в ході взаємодії критичних флуктуацій при різкій зміні фази нестійкості.

Якщо другий закон термодинаміки припускає, що будь-яка складна система прагне стати простою, то синергетика стверджує, що він не всесильний, оскільки всі існуючі системи мають природжену здатність розвиватися у напрямі більшої складності.

Для складноорганізованих систем, як правило, існує декілька альтернативних шляхів розвитку, а отже, є можливість вибору найбільш оптимальних із них.



загрузка...