Главная >  Потенциал энергии 

 

3. Позднее была введена некотораячисловая характеристикатермодинамического состояния системы -энтропии (Клаузиус, 186 . Ее принятообозначать буквой S. Если обозначитьчерез dS величину энтропии вэлементарном объеме, через dQ -количество тепла, которое приходит илиуходит из этого элементарного объема, то

 

Одним из наиболее ярких (идоступных для наблюдения) примероввозникновения специфических системныхсвойств являются ситуации, связанные совторым законом термодинамики. Этот закон (которыйчасто называют вторым началомтермодинамики) связан с принципиальнойнеобратимостью потоков тепла - от болеенагретого к более холодному. Нам неизвестныслучаи, когда более теплое тело нагревалосьза счет охлаждения более холодного. Наоснове этого принципа Лазарь Карно впервыеобъяснил, что любая тепловая машина неможет быть использована для превращениятепла, например, в механическую работу, еслине существует перепада температур, если нетхолодильника. Это факт и сталназываться вторым началом термодинамики.

 

dS = ---------------- ( ,

 

dQ

 

где T - абсолютная температура.Энтропия всей системы равна сумме энтропийвсех ее элементарных объемов.

 

T

 

Этот факт допускает нагляднуюинтерпретацию, когда мы изучаем движениемолекул в некотором замкнутом объеме газа.Предположим, что в начальном состояниидвижения молекул мы наблюдаем некоторуюупорядоченность, например вихрь заданнойинтенсивности. Если наблюдаемый объем газаизолирован - находится в термостате,например, то с течением времени движениемолекул приобретает все более и болеенеупорядоченный, хаотический характер:вихрь размывается и остается чистотепловое движение молекул, соответствующеетой температуре, которую обеспечиваеттермостат. Этот факт не только следует изтеории - он наблюдается в эксперименте. Иэнтропия изучаемой системы, как это следуетиз теории, возрастает. Вот почему иногдаговорят, что вместе с ростом энтропиирастет и мера хаоса. Именно поэтому мерунеупорядоченности системы (меру еевнутреннего хаоса) принято отождествлятьсо значением скалярной величины, именуемойэнтропией S.

 

Оказалось, что имеет местоследующий замечательный факт: в любойзамкнутой системе (т.е. системе, в которойнет источников тепла и тепло никуда неотводится) энтропия S может либооставаться постоянной (если в системе нетдиссипации энергии), либо возрастать.Оказалось, что этот факт тождествененвторому началу термодинамики. Он следует изнего, и именно его и называют вторым закономтермодинамики. Этот факт утверждает, что влюбых реальных системах, где происходитрассеивание энергии, процесс идет в сторонуустановления теплового равновесия: всезамкнутые системы обречены на тепловуюсмерть - на выравнивание температур!

 

В силу описанных причин второйзакон термодинамики, т.е. закон овозрастании (точнее - неубывании) энтропиипринято интерпретировать как закон опостепенной деградации, разрушенииорганизации (организованности) инеизбежном утверждении хаоса в любойзамкнутой системе. Это закон имеетабсолютный характер: не существует ниодного примера его нарушения.

 

В конце прошлого века болеефундаментальное изучение феноменаэнтропии было проведено Больцманом, однимиз самых глубоких мыслителей прошлого века.Он построил статистическую теориютермодинамики и установил, что энтропиюможно определить как логарифм числавозможных состояний системы. Использованиеэнтропии по Больцману делает второй законособенно наглядным.

 

Выше я уже обсуждал современныезаконы (принципы отбора), среди которыхособенно выделяются законы сохранения каксамостоятельные, не имеющие никакихисключений. Но понятие энтропии имеет смысллишь для некой совокупности частиц,например газа, занимающей некоторый объем, -бессмысленно говорить об энтропииотдельной частицы. Энтропия являетсянекоторой скалярной характеристикой этогообъема, подобной температуре, давлению,скорости потока газа и т.д. Поэтому и второйзакон термодинамики является типичнымсистемным законом, результатом некоторой сборки.Отсюда и неизбежный вопрос о том, каксвязаны свойства отдельных молекул и ихвзаимодействия с результатом, т.е. сосвойством возникающей в результате сборкисистемы и присущим ей свойством ростаэнтропии.

 

Заметим, что при этом понятиехаоса отождествляется с представлением очисто тепловом движении молекул.

 

Еще в 40-х годах в своей знаменитойкниге Что такое жизнь с точки зренияфизики Эрвин Шредингер поставил вопросо том, за счет чего происходит развитиеживого мира. За счет чего живет иразвивается такое же количество вещества иэнергии, какое он получает извне? И сам же нанего ответил: Живые организмы питаютсяотрицательной энтропией ! Эта точказрения великого физика сделалась отправнойдля целого ряда исследований. Позднеевыяснилось, что подобная ситуациясуществует и для планет: количество энергии,получаемой планетой, в точности равноэнергии, излучаемой в космос (вфундаментальном исследовании Б.Б.Кадомцева Динамика и информация )также широко используется соображениеШредингера. Наконец, в последней иинтереснейшей работе М.Н. Изакова Самоорганизацияи информация на планетах и в экосистемах делается следующий шаг. Опираясь наформальное определение информации поШенону и построив уравнения для потоковэнтропии, автор предлагает некоторыйвариант теории самоорганизации открытыхсистем, к которым относится и биосфера.

 

Со вторым законом термодинамикисвязан один феномен, содержание которого досих пор не очень понято.

 

Вызывает сомнение ицелесообразность столь широкогоиспользования понятия информация ,которое сегодня практикуется. Понятиеинформации введено Шеноном достаточноформально, как объем кодированного сигналапри его передаче с помощью той или инойсистемы распространения данных. Вряд ли егоиспользование добавляет что-то новое. Всамом деле, как показал Б.Б. Кадолуев, имеетместо соотношение:

 

Подходы и результаты всех этихавторов мне представляются интересными,однако они вряд ли способны раскрытьсодержание процессов измененияорганизации вещества, т.е. процессовэволюционного развития, если будутопираться только на принцип сохранения, т.е.на баланс приходящей и излучаемой энергии.Дело в том, что энтропия - это единственная иудивительная функция состояния системы,способная различать равновесные инеравновесные процессы. Непротиворечивымявляется определение энтропии как функции,сохраняющей свое значение для равновесныхпроцессов, или, наоборот, равновеснымипроцессами мы можем условиться называтьпроцессы, энтропия которых постоянна. Ноэнтропия - лишь одна из функций состояния, ивряд ли ее может быть достаточно дляописания всего многообразия явлений,характеризующих эволюцию биосферы, а темболее для построения теории еесамоорганизации.

 

где S - энтропия по Больцману,а I - информация по Шенону. Формула ( выведена совершенно строго и показывает,что введение понятия информация содержательно ничего не меняет, т.е. оно невносит никакой дополнительной информации в описание физического процесса, переводяописание на другой язык - с языка энтропии (т.е.термодинамики) на язык теории информации.

 

S + I = сonst, (

 

Нечто подобное происходит и спонятием энергия . Это сложнейшееявление, которое мы привыкли описыватьодним числом - килограммометрами, калориями,ваттами и т.д. С трудностями описанияэнергии мы столкнулись при построениивычислительной системы, имитирующейфункционирование биосферы.

 

Используя этот термин, надовсегда помнить, что информация -чрезвычайно сложное и емкое явление, и чтооно обладает множеством характеристик, ичто его нельзя использовать, не принимая вовнимание потребности пользователя.Информация - это совокупность сведений,необходимых для принятия решений преждевсего человеком. Но при таком взгляде наэто понятие формула ( теряет всякий смысл!

 

Наша система - комплекс обычных,адаптированных к данной конкретной задачеуравнений гидротермодинамики атмосферы иокеана. Она учитывала образованиеоблачности, выпадение осадков, образованиельда, поглощение углекислоты океаном и т.д.Биотический блок системы был достаточнопримитивен и ориентировался главнымобразом на описание круговорота углерода. Азависимость прироста биомассы B(t) мыпредставляли в форме:

 

В основе нашей системы лежалихорошо известные уравнениягидротермодинамики атмосферы и океана идостаточно упрощенная система биотическихмоделей, описывающих прежде всегоциркуляцию углерода. Я понимал условностьнаших моделей, их недостаточнуюдетализацию, информационные дефекты имногие другие изъяны, неизбежные наначальном этапе работы. Но не это менябеспокоило: со временем все должно былоуточниться. Меня в гораздо большей степенитревожила форма использования уравнениябаланса энергии. Сколь точно она отражаетреальность?

 

где Q - суммарный потоксолнечной энергии, А - некоторыйоператор.

 

dB/dt = А(Q,...), (

 

dB/dt = A*( f [ l ]...), (

 

В таком интегральномпредставлении баланса энергии меня смущалото, что каждый тип излучения запускает лишьопределенного вида биофизико-химическиепроцессы. Например, длинноволновое (красное)излучение вообще не порождает фотосинтеза!Поэтому уравнение ( следовало быпредставлять в другом виде:

 

В уравнении баланса энергииобычно считается, что Земля излучает какабсолютно черное тело, т.е. поток энергии отЗемли в космос пропорционален четвертойстепени средней температуры планеты. Это,наверное, достаточно грубое предположение.Однако отказ от него не вносит сколько-нибудькачественно новых следствий, чего совсемнельзя сказать о замене уравнения ( науравнение ( .

 

где f [ l ] описываетинтенсивность излучения с длиной волны l.

 

Дело в том, что при измеренияхсравниваются энергии разного качества.Земля получает коротковолновое излучениеСолнца, а сама излучает энергию винфракрасной части спектра. Благодаряэтому различию и возникают те физико-химическиепроцессы, которые определяют биотическуюэволюцию биосферы. Другими словами, именноза счет преобразования качества энергии, по-видимому,главным образом и происходит изменениеорганизации биосферы (т.е. ее эволюция).

 

Благодаря подходу, основанномуна том факте, что излучение разной длиныволны порождает разные типы биофизико-химическихпроцессов, можно по-новому ответить навопрос Шредингера и по-новомуинтерпретировать особенности биотическойэволюции планеты. Он позволяет, в частности,объяснить особенности, обнаруженные принаблюдении Земли из космоса, определить,что энергия, излучаемая Землей,количественно равна той энергии, которуюЗемля получает из космоса.

 

Тогда вся теория самоорганизациибиосферы будет выглядеть по-другому!

 

Если подобный подход найдетнеобходимое экспериментальноеподтверждение, то он позволит на многиефакты смотреть другими глазами, в том числеи на всю систему биотической регуляции.Тогда возникнет необходимость строить по-новомусистему математических моделей,описывающих процессы самоорганизациибиосферы.

 



 

Парк буйков обеспечит энергией 2. Подразделения РАН. Новая страница 1. Содержание. В Запорожье резко поднимают тари.

 

Главная >  Потенциал энергии 

0.0037