Учебное пособие Ростов-на-Дону (075. 8) Ббк 20я73 ктк 100




Сторінка10/36
Дата конвертації18.04.2016
Розмір6.45 Mb.
1   ...   6   7   8   9   10   11   12   13   ...   36

131

огромной энергии связи в виде кинетической энергии продуктов термоядерной реакции, которая рассеивается в окружающей среде в виде тепла и излучения. В автомобильном двигателе водород и углерод бензина связываются с кислородом — выделяется и превращается в тепло опять энергия связи (в данном случае — химической).

Чем прочнее связь, тем больше выделяется энергии при ее образовании и тем больше, соответственно, потребуется затратить энергии, чтобы эту связь снова разорвать. Образование любых структур всегда связано с выделением и рассеянием энергии связи, то есть всегда связано с диссипацией (рассеянием), общим понижением качества энергии.

Кстати, прежде чем образоваться углерод-кислородным и водород-кислородным связям при сжигании топлива, должны быть разорваны связи между углеродными и водородными атомами в углеводородах бензина, а также между атомами кислорода в его молекуле, на что нужно затрачивать энергию. Но межатомные углеродные и водородные связи в молекулах топлива и связи в молекуле кислорода намного слабее кислородных связей в продуктах сгорания, и затраты гораздо меньше выигрыша. Энергия, затрачиваемая на разрыв связей в компонентах горючей смеси (и на сближение освободившихся атомов с атомами кислорода), называется энергией активации и черпается из теплового движения молекул. Поджигание смеси искрой — это сообщение молекулам необходимой первоначальной энергии активации. Дальше горение поддерживается уже за счет тепла, выделяемого в его процессе. Если бы не необходимость в энергии активации, вещества, способные связываться с выделением энергии (например, органика в земной кислородной атмосфере), вообще не могли бы существовать в соседстве друг с другом.

132


В урановых ядерных реакторах, с помощью которых уже сейчас производят примерно 15% электроэнергии в мире, источником энергии служит деление ядер урана. Но, тем не менее, выделяется опять-таки энергия связи: во фрагментах разделившегося ядра урана нуклоны связаны прочнее, чем в исходном ядре, и разница энергий связи и переходит в кинетическую энергию продуктов деления, а затем в тепло.

Водород — основной элемент Вселенной, и синтез гелия из него — основной, первичный, источник энергии для всех наблюдаемых нами процессов. Все наши земные горючие ископаемые и кислород атмосферы — это продукт воздействия на Землю энергии Солнца, которая обусловлена синтезом гелия из водорода. Излучение Солнца разрывает химические связи и запускает сложные цепочки реакций, которые приводят к накоплению потенциальной химической энергии их продуктов.



Резюме

Энергия — физическая характеристика, введенная когда-то учеными, определяет потенциальную возможность системы совершить механическую работу. Это понятие оказалось, наверное, одним из самых важных потому, что все процессы как в живой, так и в неживой природе невозможно описать без этого понятия. Без энергии невозможно существование жизни. Вопрос, связанный с механизмами использования и добычи энергии, относится к энергетике. В процессе жизнедеятельности, в том числе, и при решении энергетических проблем, человечество столкнулось с вопросами несовместимости человеческих потребностей и природных возможностей. Это сложнейшая экологическая проблема современности!

133


Вопросы для обсуждения

1) Энергия важнейшая физическая характеристика.
Виды энергии — механическая, тепловая, электромагнитная,

гравитационная, ядерная.



  1. Закон сохранения энергии и однородность времени.

  2. Проблемы энергетики.

Существующие в настоящее время источники энергии:

химическая энергия сгорания топлива (газ, нефть, уголь);

механическая энергия воды и ветра (гидроэлектростанции и ветровые электростанции);

солнечная энергия излучения (солнечные батареи);

ядерная энергия (АЭС);

в будущем: термоядерная энергия синтеза («горячий» и «холодный» ядерный синтез).



4) Проблемы экологии, связанные с энергетикой.

3.5. Понятие качества энергии, энтропия,

второе начало (принцип) термодинамики

и принцип минимума производства энтропии

В приведенных выше примерах, во всех реакциях, высвобождающих энергию связи, эта энергия переходит в конечном итоге в теплоту (и отчасти в излучение — в ту его часть, которая уходит в космическое пространство, где она тоже имеет шанс превратиться-таки в тепло). Так что же такое теплота? Теплота — это, по существу, то же, что и кинетическая энергия, но это энергия неупорядоченного, хаотического движения частиц (молекул газа, например). Из наблюдений известно, что переход всех видов энергии в тепло — это наиболее распространенный процесс и в природе и в технике. Так, например, трение присутствует везде, и оно превращает упорядоченное движе-

134

ние тел в хаотическое движение составляющих их молекул, нагревая трущиеся поверхности. При работе любых электрических машин, при передаче электрической энергии по проводам часть ее всегда превращается в тепло.



Переход механической, химической или иной энергии в тепло — необратим. Любой из этих видов энергии рано или поздно самопроизвольно и полностью переходит в тепло. Хаотическое же движение молекул уже нельзя даже с помощью специальных ухищрений полностью преобразовать в какую-либо полезную, связанную с упорядоченным движением, работу, такую как, например, подъем груза на некоторую высоту. Качество энергии понижается в результате перехода ее в тепло.

Из приведенных рассуждений может быть дано определение понятия полезная работа. В термодинамическом смысле полезной следует называть такую произведенную над некоторой системой работу, результатом которой является увеличение порядка в этой системе.

Тепло образуется в большинстве процессов неравномерно, окружающие нас тела нагреты по-разному. Количественная мера степени нагретости тела, которая пропорциональна средней величине кинетической энергии составляющих его молекул, называется температурой. Из определения ясно, что эта температура (которую называют еще термодинамической температурой и измеряют во внесистемных единицах — Кельвинах) не может быть отрицательной и ее минимальное значение — 0. В классическом приближении, без учета квантовых эффектов (см. п. 4.3), существенных при низких и сверхнизких температурах, она соотвествует нулевой кинетической энергии беспорядочного движения молекул, и в реальных процессах, последовательными приближениями, достигнута быть не может.

135


При контакте тел с разной температурой происходит переток тепла от горячего тела к холодному до полного выравнивания температур. При этом, хотя полный запас энергии сохраняется, качество ее понижается. Известно еще со времен Карно, что, имея горячий нагреватель и холодильник, можно построить такую машину, которая позволит часть избыточной (по сравнению с холодильником) тепловой энергии нагревателя перевести в полезную работу, причем эта часть тем меньше, чем меньше разность температур. После выравнивания температур этого сделать уже нельзя. Качество энергии становится ниже. Различие температур разных тел — это тоже элемент упорядоченности, выравнивание температур эту упорядоченность уничтожает.

Переход потенциальной и кинетической энергии упорядоченного движения или расположения в тепло, а затем выравнивание температур — это переход системы из состояния менее вероятного в состояние более вероятное. Такие процессы протекают самопроизвольно при отсутствии внешних воздействий на систему.

Вот эту направленность всех самопроизвольно протекающих процессов в сторону увеличения вероятности состояния системы и понижения качества энергии — их необратимость — и называют иногда вторым началом термодинамики. Второе начало термодинамики в различных формулировках было дано еще до появления понятия энтропии, о котором будет сказано ниже. Формулировки второго начала (для краткости опуская слово «термодинамики» здесь и в дальнейшем, как это принято в физической литературе) относились первоначально к изолированным системам.

Так, немецкий физик, один из основателей термодинамики, Рудольф Клаузиус (1822-1888 гг.), утверждал,

136

что «теплота не может переходить сама собой от более холодного тела к более теплому». Его английский коллега Уильям Томсон (барон Кельвин) сформулировал принцип Карно и дал такое толкование второго начала: «невозможно существование такой тепловой машины, которая производила бы путем охлаждения моря или земли механическую работу в любом количестве, вплоть до исчерпания теплоты суши и моря». (Дополнительные уточнения формулировок и сути второго начала термодинамики сделаем после введения понятия энтропия.)



Обратные процессы, переводящие систему из более вероятного состояния в менее вероятное, самопроизвольно не протекают. Такие процессы могут быть возможны только при определенном, специфически организованном подводе энергии из какого-либо внешнего источника. С такими процессами человек познакомился с изобретением паровой машины — первой машины, для преобразования хаотического движения в организованное — именно, тепла в работу. Как уже упоминалось, Карно доказал, что такое преобразование не может быть полным — часть тепловой энергии обязательно должна быть диссияирована, рассеяна (отдана холодильнику). Отсюда следует еще такой кельвинский вариант формулировки второго начала термодинамики: невозможен процесс, единственным результатом которого было бы поглощение теплоты от нагревателя и полное преобразование этой теплоты в работу.

Итак, второе начало термодинамики позволяет разделить все процессы на естественные — переход работы в тепло, самопроизвольный переток тепла от горячего тела к холодному — и на противоестественные.

Далее мы рассмотрим достаточно сложные в естествознании понятия энтропии, энтальпии, негэнтропии, сво-

137


бодной энергии, характеризующие тепловые или термодинамические процессы, процессы обмена энергией, веществом в больших природных системах, отнеся вопросы энергетики в живых системах в раздел о концепциях и принципах биологического естествознания, (глава 9). Знание таких понятий и процессов необходимы для понимания явлений химического и биологического типов, характеризующихся, практически на всех стадиях своего развития, самоорганизацией и эволюцией. В некоторых случаях мы будем употреблять для иллюстрации формулы, которые нет необходимости запоминать.

Понятие энтропии (от греч. еп в, внутри + trope поворот, превращение) как меры внутренней неупорядоченности системы было введено Клаузиусом следующим

образом: где приращение энтропии системы

связано с увеличением количества тепла получаемого системой, а сам переход системы из одного состояния в другое происходит обратимым образом, Т — температура системы.

Любой самопроизвольно протекающий в замкнутой изолированной системе процесс должен увеличивать эту величину. Рассмотрим, например, как будет меняться эта величина при выравнивании температур в неравномерно нагретом теле. При этом процессе некоторое количество тепла перейдет от горячей части к холодной — одна часть теряет (рассеивает), а другая приобретает одно и то же количество тепла. Энергия системы не изменится, но горячая часть системы потеряет тепло при большей температуре Т1, чем холодная при температуре Т2 ее приобретет, и, значит, потеря энтропии горячей частью будет меньшей, чем ее увеличение в холодной — энтропия всей системы возрастет:

138


Энтропия кажется, и не без оснований, весьма загадочной и непривычной характеристикой состояния термодинамической системы, но на самом деле она несколько иная характеристика системы, чем энергия, и столь же полноправная. Если энергия — это мера некоторой потенциальной возможности системы совершить полезную работу, то есть упорядоченное действие, то энтропия — это мера качества энергии, то есть реальной способности ее произвести работу без привлечения внешнего воздействия. Энтропия возрастает при рассеянии энергии, при возрастании неупорядоченности системы, при возрастании хаоса.

Статистическое определение энтропии было дано впервые австрийским физиком Людвигом Больцманом (1844-1906 гг.). Он связал энтропию системы с вероятностью макроскопического состояния системы , где k — так называемая постоянная Больцмана, равная отношению универсальной газовой постоянной R к числу Авогадро NA. Величина IV представляет собой число способов, которыми можно осуществить (создать, организовать) данную систему, и эта величина определяет вероятность реального ее осуществления (организации). Любая упорядоченность, возникающая в системе, ограничивает число ее возможных конфигураций, уменьшает вероятность ее существования в таком виде и энтропию. Перемешивание, пространственное выравнивание концентраций увеличивает число вариантов взаиморасположений конкретных молекул, обеспечивающих данную конфигурацию, а увеличение температуры или выравнивание ее увеличивает число вариантов распределения энергии между частицами системы (молекулами), обеспечивающих данную среднюю энергию.

Обратимся теперь, кратко, к понятиям замкнутых систем (которые могут обмениваться с окружающей средой энергией, но не веществом) и открытых систем (могут об-

139


мениваться и энергией и веществом), чтобы завершить формулирование еще некоторых понятий термодинамики.

Для замкнутых систем, находящихся в условиях постоянства температуры и объема, закон возрастания энтропии переходит в закон уменьшения свободной энергии F Гельмгольца, которая определяется равной следующей величине F = ETS, где Е — полная энергия.

В случае же постоянных температур и давления, закон возрастания энтропии переходит в закон убывания свободной энергии Гиббса Ф: Ф = Н—TS, где Н — так называемая энтальпия (от греч. enthalpo — нагреваю), функция независимых переменных — давления и энтропии, однозначно определяющая состояние физической системы. Энтальпия иначе также называется термодинамическим потенциалом.

Для открытых систем переходят к локальной формулировке второго начала термодинамики. Тогда общее изменение энтропии открытой системы DS представляют в виде суммы двух слагаемых: , где

изменение энтропии, обусловленное внутренними (internal) процессами в системе; — изменение энтропии системы, обусловленное внешними (external) причинами — контактом со средой. Скорость изменения энтропии отнесенная к единице объема системы, называется производством энтропии s.

Локальная формулировка второго начала утверждает, что производство энтропии всегда положительно. На более сильном утверждении о минимуме производства энтропии, Илья Пригожин основал теорию диссипативных структур, одну из современных теорий самоорганизации, наряду с синергетикой, теорией катастроф, автопоэзиса, теорией сложности и др.

140

Эрвин Шредингер, один из основателей квантовой механики и квантового естествознания, занявшийся впоследствии проблемой жизни, установил, что живые организмы отдают энтропию внешней среде, т. е. тем самым поддерживают свой гомеостаз за счет поглощения отрицательной энтропии негэнтропии, как ее назвал французский физик Леон Бриллюэн.

Второе начало термодинамики как утверждение в формулировке Клаузиуса — необратимые процессы в изолированных системах всегда идут с возрастанием энтропии — сообщает нам о том, что все самопроизвольно протекающие процессы в замкнутой (изолированной) системе ведут к увеличению беспорядка, к возрастанию хаоса и к снижению качества энергии. То есть самопроизвольно протекающие процессы ведут к разрушению всех структур и затуханию всех процессов (которые тоже можно трактовать как «структуры», но не в пространстве, а во времени).

Поскольку Вселенную в целом мы должны рассматривать как изолированную систему (по отношении к ней нет никакой «внешней среды»), то наш мир должен непрерывно деградировать. Наблюдения говорят, что так и происходит: основные источники высокотемпературной (достаточно высокого качества) тепловой энергии непрерывно ее рассеивают и, в конце-концов, остывают, то есть выравнивают свою температуру с температурой межгалактической среды (которая равна в настоящее время приблизительно 2,73 К — это температура так называемого реликтового излучения (см. главу 6)). Если бы Вселенная существовала вечно, она давно уже была бы мертвой. Однако она жива, и даже более того, мы видим, что сложность ее все увеличивается, во всяком случае, сложность увеличивается в нашей маленькой области ее — на нашей планете Земля.

141

В свое время Клаузиус высказал идею о неизбежной тепловой смерти Вселенной, чем весьма шокировал своих современников. А раз у Вселенной неизбежен конец, значит, должно было быть и начало. Против этого тогда восстали материалисты, ибо они не могли представить себе начало иначе, как в виде акта божественного творения, причем творения Вселенной сразу такой, какая она есть сейчас, точнее, даже более сложной, дифференцированной (ведь по Клаузи-усу, все может только выравниваться и упрощаться). Поэтому они говорили уклончиво: второе начало термодинамики, конечно, верно в нашей части Вселенной, где температуры выравниваются, а энергия рассеивается, но, очевидно, во всей бесконечной Вселенной это не так.

Сейчас мы знаем, что начало нашего мира, Вселенной, точнее, Метагалактики, по-видимому, действительно было, пусть достаточно загадочное (гипотеза Большого взрыва), но вполне материалистическое, и об этом будет рассказано в главе 6.

Понятие энтропии используется также в разрешении проблемы жизни, в которой оперируют ее отрицательными величинами, так называемой негэнтропией, в теории информации, в которой она характеризует меру неопределенности ситуации, в теориях самоорганизации, таких как синергетика, диссипативные структуры и др.

Резюме и вопросы для обсуждения


  1. Формулировка понятий энтропии и второго начала термодинамики в середине XIX века привела к двум проблемам, вошедшим в число центральных для всей науки и нерешенных в полном объеме до сих пор.

  2. Первая проблема, практически незатронутая в этом пункте, — это проблема обратимости во времени уравнений механи-

142

ки, вступающей в противоречие для неравновесных систем с временной необратимостью происходящих в них процессов.

  1. Вторая проблема связана с противоречием между вторым началом и прогрессивной эволюцией в сторону упорядочения, усложнения.

  2. Эта проблема искусственна и возникла, скорее всего, из-за непонимания природы энтропии во всей ее глубине. Оказалось, что энтропия не может служить мерой сложности и что эволюция в сторону усложнения вообще не противоречит эволюции в сторону возрастания энтропии. Полуторавековое обсуждение этой проблемы способствовало более глубокому осмыслению понятия энтропия.

  3. И последнее обсуждение этой проблемы в свое время стимулировало создание синергетики, поднявшей теорию самоорганизации на новый уровень.

4. Концепции и принципы

неклассического - полевого,

квантового и квантово-полевого

физического естествознания

4.1. Электромагнитное поле фарадея-Максвелла,

электромагнитное взаимодействие и принципы

специальной теории относительности -

теории пространства-времени Эйнштейна

и Минковского

Классическая физика и соответствующее ей классическое естествознание завершились созданием термодинамики. На очереди стояли учения об электричестве и магнетизме, которые, казалось, должны были получить понимание в рамках традиционного классического мировоззрения. Однако этому не суждено было сбыться. Познание тайн электромагнетизма привело к началу нового этапа в физике, во всем естествознании и во всей науке — привело к этапу неклассической рациональности.

Новая рациональность начиналась еще в недрах классической рациональности фактически так. В XVIII веке французом Шарлем Кулоном (1736-1806) был открыт знаменитый закон взаимодействия точечных электричес-

144


ких зарядов закон Кулона:, где q1, q2 — элек-

трические заряды, r — расстояние между зарядами, k — коэффициент пропорциональности, определяемый выбором единиц измерения величин зарядов и расстояния. Закон Кулона, как видим, фактически совпадает, по виду и форме, с законом всемирного тяготения Ньютона, и это позволяло физикам многие годы думать, что электрическое взаимодействие сводимо к гравитационному тяготению. Но это было кажущееся совпадение. Экспериментальные исследования Гальвани (1737-1798) и Вольта (1745-1827) показали тесную связь электрических, химических (и даже биологических) явлений. Вопрос об отношении электричества и магнетизма оставался запутанным до открытия Эрстеда (1777-1851) в 1820 году, когда он случайно, в ходе лекционного демонстрационного эксперимента, обнаружил влияние, оказываемое электрическим током, пропускаемым по проволоке, на компас, оказавшийся вблизи от проволоки. С 1820 года интенсивной разработкой первой теории электромагнетизма — электродинамики, занялся французский ученый Ампер (1775-1836). Теория Ампера была создана по образу и духу «Начал» Ньютона, что позволило англичанину Джеймсу Максвеллу назвать французского ученого «Ньютоном электричества». Созданная Ампером электродинамика, основанная на представлении о мгновенной передаче электромагнитных взаимодействий (т. е. с бесконечной скоростью), должна быть отнесена к теориям типа теорий дальнодействия.

Однако последовательную, единственно признаваемую и сегодня, теорию электромагнитных явлений удалось построить лишь самому Максвеллу, который отказался от представления о дальнодействии й взял за основу в элек-

145


тромагнетизме идею о поле, выдвинутую впервые великим физиком-экспериментатором Майклом Фарадеем (1791-1867), который благодаря своим опытам доказал также тождественность различных видов электричества. Установленные Фарадеем законы электролиза доказывали выдающийся факт природы — дискретность электрического заряда. Начиная с 30-х годов XIX столетия, у Фарадея, под влиянием проводимых им экспериментов, начинает формироваться идея о передаче электромагнитных взаимодействий посредством поля. По мнению А. Эйнштейна, идея поля была самым важным открытием не только в физике, но во всей классической науке, со времен Ньютона (Эйнштейн тогда еще не подозревал, что электромагнетизм, эксперименты Фарадея и теория Максвелла дали начало новому этапу науки — неклассическому).

Ученым, который осознал глубину и оригинальность представлений Фарадея о поле на примере электромагнитного поля, стал именно Джеймс Максвелл (1831-1867). В 1865 году Максвелл опубликовал свою основополагающую работу «Динамическая теория электромагнитного поля», в которой он вывел математические уравнения теории поля — уравнения Максвелла. Одним из самых поразительных выводов электромагнитной теории Максвелла было указание на возможность распространения электромагнитных волн со скоростью света. Вывод Максвелла о том, что свет электромагнитные волны, по праву считается вершиной его исследований в области электромагнетизма. Электромагнитная теория волн и поля позволяет наилучшим образом объяснить все явления, связанные со светом.



Специальная теория относительности. Есть одно замечательное явление в природе, которое сопровождает человека практически непрерывно да и, вероятно, обус-

146


лавливает существование самого человека — это свет. Важное место в проблеме света занимал вопрос о его скорости, который не смогли прояснить ученые ни в античные, ни в средние века. Но вот Авиценна, например, полагал, что эта скорость хотя и весьма велика, но ограничена. Первую известную, но безуспешную попытку измерения скорости света сделал еще великий Галилей. Первое же успешное измерение скорости распространения света было проведено датским астрономом О. Ремером в 1676 году, использовавшим для этого экспериментальный факт запаздывания затмений спутников Юпитера, которое он объяснял конечностью скорости распространения света. В XIX веке некоторые физики развивали теорию эфира с целью объяснения природы распространения света в пространстве. Одновременно с этим проводились эксперименты по все более точному определению скорости света. В 1881 году американский ученый Альберт Майкелъсон (1852-1931) вместе с помощником Мор-ли, с помощью сконструированного ими интерферометра, определили скорость света с точностью до восьмого знака (т. е. с точностью до нескольких м/с, и это-то при величине скорости света около 300 000 тыс. км/с). У Майкельсо-на была определенная цель: подтвердить существование постулированного еще в античные времена эфира и обнаружить «эфирный ветер», следствием которого было бы различие в скорости света в разных направлениях по отношению к скорости движения Земли по околосолнечной орбите. Результат оказался отрицательным, под таким названием он известен в науке — отрицательный результат опыта Майкелъсона.

Из опытов Майкельсона следовало, что для света не выполняется принцип сложения скоростей классической механики (вот это и есть первое противоречие кано-

1   ...   6   7   8   9   10   11   12   13   ...   36


База даних захищена авторським правом ©mediku.com.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка