21
Содержание
Введение 2
1. Принцип возрастания энтропии 3
1.1 Понятие энтропии 3
1.2 Принцип энтропии в термодинамики 5
1.3 Роль энтропии как меры хаоса 7
2. Естествознание и экология. Экологическая обстановка в месте моего проживания 14
2.1 Взаимосвязь экологии и естествознания 14
2.2 Экологическая обстановка в городе Новосибирске 15
Заключение 20
Список литературы 21
Введение
В последние десятилетия в общемировоззренческих осмыслениях фундаментальных законов термодинамики распространяется идея развития диссипативных структур, далеких от равновесия, развиваемая известным физиком И.Пригожиным. Суть выводов, следующих из работ И.Пригожина и его многочисленных последователей, основывается на втором начале термодинамики, постулирующем наличие в динамике систем (в особенности в технической деятельности человека) асимметрии - однонаправленности, необратимости распределения энергии: рассеивающаяся энергия самопроизвольно не концентрируется и не возвращается в исходное состояние; для этого необходимо произвести работу, затрачивая дополнительную энергию. Полагается, что второе начало прямо связывает возрастание энтропии с «положительным направлением времени», т.е. время необратимо, поскольку необратим процесс, сопровождающийся необратимым же ростом энтропии. Опираясь на выдвинутые положения, И.Пригожин считает, что “…будущему соответствует большее значение энтропии”, т.е. что во всех системах деградация и дезорганизованность возрастают. В этом лежат корни распространяющихся сейчас категорически утверждаемых положений: “…равновесие не может быть целью сущего, так как оно исключает развитие”; или: “cтремление к максимальному беспорядку, ограниченное условиями, есть главный закон природы”. Торосян В. Г. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие. - М.: Высш. шк., 2002. -115с.
Цель работы рассмотреть возрастание энтропии. Задачи работы рассмотреть:
1. Принцип возрастания энтропии
2. Естествознание и экология. Экологическая обстановка в месте моего проживания
1.1 Понятие энтропии
Немецкий физик Рудольф Клаузиус (1822-1888) приходит к выводу, что всякое тело имеет внутреннюю энергию, которую можно увеличивать двумя путями: производя над телом работу или подводя к телу тепло:
.
Таким образом, он открыл и теоретически доказал, что у температуры есть связанная с ней величина - энтропия (« гр. en - в, внутри + thrope - превращение, поворот), увеличение которой, умноженное на температуру, определяет количество тепла, полученного телом. Глубоко вникнув в исследования Карно, Клаузиус пришел к выводу, что в обратимом процессе тепловой машины сохраняется не количество тепла, содержащегося в теле, а совсем другая величина. Эта величина (S), подобно энергии, давлению, температуре характеризует состояние газа. Когда к газу подводится небольшая порция тепла , то S возрастает на величину равную
После открытия энтропии стало, наконец, ясно, почему было так трудно понять связь между теплом и температурой. Оказалось, что нельзя говорить о количестве тепла, заключенном в теле. Это понятие просто не имеет смысла. Тепло может переходить в работу, создаваться при трении, передаваться от тела к телу - но не сохраняться. Точный смысл имеет понятие количество тепла, переданного телу или отнятого у тела (иначе количество внутренней энергии, переданной в процессе теплообмена от одного тела к другому без совершения работы).
Энтропия - это количественная мера той теплоты, которая не переходит в работу.
S2-S1=ДS=
Если процесс обратимый, то
Энтропия (S) в реальном процессе - затраты на холодильник, лучеиспускание, трение. При обратимом изолированном цикле нет изменения энтропии, она постоянна. В необратимых процессах энтропия возрастает до тех пор, пока система не придет в равновесие, и при этом энтропия будет максимальна. Работа прекращается в состоянии равновесия, A=0.
Отсюда Клаудиус вывел возможность тепловой смерти вселенной, так как идёт процесс накопления (повышения) энтропии, и все процессы остановятся, но его (возможно) ошибка была в том, что он исходил из того, что вселенная - замкнутая система.
Энтропия определяет возможность, направление и предел самопроизвольных процессов в замкнутых системах. Энтропия - это количественная мера хаоса в системе.
Больцман:
=khW
- показывает меру беспорядка, или хаоса.
W - Термодинамическая вероятность системы - это число микросостояний, соответствующих данному макросостоянию системы: число способов реализации данного макросостояния.
Если W=1, то S=0 - только идеальный кристалл при Т=0.
Энтропия идеального кристалла при Т=0 равна нулю. Если в кристалле есть хотя бы один дефект, то W=2, и S>0. Sгаза>Sжидк>Sтв.тела Карпенков С. Х. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. - М.: Академический проект, 2001. -269с.
1.2 Принцип энтропии в термодинамики
Нельзя закончить этот краткий очерк истории развития классической физики, не сказав несколько слов о науке, которая целиком была создана учеными XIX в., о термодинамике.
В XVIII в. теплота представлялась в виде некоторой жидкости, общее количество которой остается в течение различных физических процессов неизменным. Для объяснения целого ряда явлений, и в особенности явления распространения тепла в материальных телах, эта гипотеза оказывалась вполне удовлетворительной. Изящная и классическая теория распространения тепла в пространстве, созданная Фурье, исходит из соотношения, которое выражает «закон сохранения теплоты». Но многочисленные явления, в которых теплота возникает в результате трения, с большим трудом объяснялись в рамках этой гипотезы, и мало-помалу физики от нее отказались и стали рассматривать теплоту не как некую вечную субстанцию, а просто как одну из форм энергии. Действительно, во всех происходящих вокруг нас чисто механических явлениях энергия сохраняется всегда, за исключением тех случаев, когда в результате трения происходит выделение тепла. Если рассматривать теплоту как одну из форм энергии, то можно выдвинуть некий общий принцип сохранения энергии. Мы не будем рассказывать здесь о том, как развивался этот принцип и как он был подтвержден измерениями механического эквивалента теплоты. Но, как известно, одного принципа сохранения энергии еще недостаточно для построения термодинамики. К нему необходимо добавить еще принцип Карно, или принцип возрастания энтропии. Впервые этот принцип был выдвинут в 1824 г. Сади Карно в заметках о тепловых машинах, где он указал на невозможность полного превращения тепла в работу. Эти соображения Карно легли в основу высказанного несколькими годами позже принципа, который остается справедливым и по настоящий день. Чтобы придать ему математическую форму, Клаузиус ввел понятие энтропии и показал, что энтропия изолированной системы может только возрастать.
На основе этих двух фундаментальных принципов была построена термодинамика - наука, позволившая объяснить и предсказать большое число явлений и играющая существенную роль в настоящее время, особенно в теории газов. Это абстрактная наука, оперирующая основном понятиями энергии, заключенной в телах, количествами совершаемой ими работы и тепла, которым они обмениваются. Она не пытается вникать в детальное описание элементарных процессов, а интересуется лишь общими характеристиками систем. Термодинамика оставляет чрезвычайно большую свободу для различных описаний элементарных процессов и устанавливает лишь общие закономерности, которым должны удовлетворять эти описания. Таким образом, не только классическая атомная физика, не учитывающая существования квантов, но и квантовая физика, базирующаяся на принципиально отличных концепциях, строятся в соответствии с законами термодинамики. С точки зрения конструктивного развития современных теорий термодинамика может в каком-то смысле играть направляющую роль, ограничивая число приемлемых гипотез, но не указывая, конечно, тот или иной определенный путь развития. Точнее, поскольку термодинамика рассматривает лишь общие свойства систем, не вдаваясь в детали отдельных процессов, она не рискует впасть в ошибки, что часто угрожает более «смелым» теориям, претендующим на детальное описание процесса. И сорок лет назад, по мнению многих физиков, считалось предпочтительным использовать термодинамические методы, не вводя более детальных и более смелых концепций. Этот осторожный метод был назван энергетическим. Но если осторожность - мать безопасности, то судьба улыбается лишь отважным. И тогда как приверженцы энергетического метода топтались на одном месте, хотя и на твердой почве, сторонники более детального описания элементарных явлений, развивая атомистические и корпускулярные концепции, открывали новые неизведанные области.
Эти концепции получили столь многочисленные экспериментальные подтверждения и привели к открытию такого большого числа новых соотношений, о существовании которых «энергетика» не могла даже подозревать, что в Настоящее время старая «энергетическая» тактика уже давно оставлена. Чтобы проследить путь развития классической физики, необходимо рассмотреть новый мир атомов и частиц. Кибец И. Н., Кибец В.И. Физика. Справочник. - Харьков: Фолио ; Ростов н/Д : Феникс, 2003.-358с.
1.3 Роль энтропии как меры хаоса
Появление теории самоорганизации в современном естествознании инициировано, видимо, подготовкой глобального эволюционного синтеза всех естественнонаучных дисциплин. Эту тенденцию в немалой степени сдерживало такое обстоятельство, как разительная асимметрия процессов деградации и развития в живой и неживой природе. В классической науке XIX в. господствовало убеждение, что материи изначально присуща тенденция к разрушению всякой упорядоченности, стремление к исходному равновесию (в энергетическом смысле это и означало неупорядоченность или хаос). Такой взгляд на вещи сформировался под воздействием равновесной термодинамики.
Эта наука занимается изучением процессов взаимопревращения различных видов энергии. Ею установлено, что взаимное превращение тепла и работы неравнозначно. Работа может полностью превратиться в тепло трением или другими способами, а вот тепло полностью превратить в работу принципиально невозможно. Это означает, что во взаимопереходах одних видов энергии в другие существует выделенная самой природой направленность. Знаменитое второе начало (закон) термодинамики в формулировке немецкого физика Р. Клаузиуса звучит так: "Теплота не переходит самопроизвольно от холодного тела к более горячему". Закон сохранения и превращения энергии (первое начало термодинамики), в принципе, не запрещает такого перехода, лишь бы количество энергии сохранялось в прежнем объеме. Но в реальности это никогда не происходит. Данную односторонность, однонаправленность перераспределения энергии в замкнутых системах и подчеркивает второе начало термодинамики. Для отражения этого процесса в термодинамику было введено новое понятие -- "энтропия". Под энтропией стали понижать меру беспорядка системы. Более точная формулировка второго начала термодинамики приняла такой вид: при самопроизвольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию, энтропия всегда возрастает.
Физический смысл возрастания энтропии сводится к тому, что состоящая из некоторого множества частиц изолированная (с постоянной энергией) система стремится перейти в состояние с наименьшей упорядоченностью движения частиц. Это и есть наиболее простое состояние системы, или термодинамическое равновесие, при котором движение частиц хаотично. Максимальная энтропия означает полное термодинамическое равновесие, что эквивалентно хаосу.
Страницы: 1, 2
