Доповідь - Упорядкованість
Федеральна митна служба
Державний освітній заклад
Вищої професійної освіти
«українська митна академія»
Реферат по темі «Упорядкованість. Хаос. Зростання ентропії»
121 групи: Ільїн Д.,
4. Зростання ентропії……………………………………………… 7
Будь-які природні процеси супроводжуються зростанням ентропії Всесвіту; таке твердження часто називають принципом ентропії. Також ентропія характеризує умови, за яких запасається енергія: якщо енергія запасається за високої температури, її ентропія щодо низька, а якість, навпаки, високо. З іншого боку, якщо та ж кількість енергії запасається за низької температури, то ентропія, пов'язана з цією енергією, велика, а її якість — низько.
Зростання ентропії є характерною ознакою природних процесів і відповідає запасанню енергії при дедалі нижчих температурах. Аналогічно можна сказати, що природний напрямок процесів зміни характеризується зниженням якості енергії.
Таке тлумачення зв'язку енергії та ентропії, при якому ентропія характеризує умови запасання та зберігання енергії, має велике практичне значення. Перший початок термодинаміки стверджує, що енергія ізольованої системи (а можливо, і всього Всесвіту) залишається постійною. Тому спалюючи викопне паливо — вугілля, нафту, уран — ми не зменшуємо загальних запасів енергії. У цьому сенсі енергетична криза взагалі неможлива, оскільки енергія у світі завжди залишатиметься незмінною. Однак, спалюючи жменю вугілля та краплю нафти, ми збільшуємо ентропію світу, оскільки всі названі процеси протікають мимоволі. Будь-яка дія призводить дозниження якості енергії Всесвіту. Оскільки у промислово розвиненому суспільстві процес використання ресурсів стрімко прискорюється, то ентропія Всесвіту неухильно зростає. Потрібно прагнути направити розвиток цивілізації шляхом зниження рівня виробництва ентропії та збереження якості енергії.
Поняття розвитку неживої і живої природи сприймається як незворотне спрямоване зміна структури об'єктів природи, оскільки структура відбиває рівень організації матерії.
Структура - це внутрішня організація системи, яка сприяє зв'язку складових систему елементів, що визначає існування її як цілого та її якісні особливості. Структура визначає впорядкованість елементів об'єкта. Елементами є будь-які явища, процеси, а також будь-які властивості та відносини, що перебувають у будь-якому взаємному зв'язку та співвідношенні один з одним.
Структура є упорядкованість (композицій) елементів, що зберігається (інваріантна) щодо певних змін (перетворень).
Упорядкованість - це відносно стійкий спосіб зв'язку елементів, що надає їхній взаємодії в рамках внутрішньо розчленованого об'єкта цілісний характер.
Найважливіша властивість - її відносна стійкість, яка розуміється як збереження у зміні. Проте впорядкованість містить певну динамічність, окремі часові моменти, є процес розгортання у часі та просторі нових властивостей елементів.
Упорядкованість - це загальний, якісно визначений та відносно стійкий порядок внутрішніх відносин між підсистемами тієї чи іншої системи. Поняття «рівень організації» на відміну від поняття «структура» включає, крім того, уявлення про зміну структур та її послідовність у ході історичногорозвитку системи з її виникнення. У той час як зміна структури може бути випадковою і не має спрямований характер, зміна рівня організації відбувається необхідним чином. Системи, що досягли відповідного рівня організації та мають певну структуру, набувають здатності використовувати інформацію для того, щоб за допомогою управління зберегти незмінним (або підвищувати) свій рівень організації та сприяти сталості (або зменшенню) своєї ентропії.
Етимологія поняття «хаос».
Хаос, поняття, що остаточно оформилося в давньогрецькій філософії це трагічний образ космічної першоєдності, початок і кінець всього, вічна смерть всього живого і водночас принцип і джерело будь-якого розвитку, він невпорядкований, всемогутній і безлик.
Хаос (грец. cháos, від cháino — розверзаюся, вивергаю), у давньогрецькій міфології безмежна початкова маса, з якої утворилося згодом усе існуюче. У переносному значенні — безладдя, плутанина.
Хаосом цікавляться фізики, хіміки, біологи, математики, інженери та ін. Ці дослідники спеціалізуються за системами, що виявляють турбулентність, що важко описуються і мають випадковий характер, тобто мають справу з безладдям. Однак тут не обійшлося без скептиків. Деякі математики кажуть, що теоретичні методи вивчення хаосу є суворими, засновані на ненадійних моделях і загрожують традиційним способам перевірки рішень. Проте теорія хаосу виборола послідовників і має своїх захисників у кожному великому університеті чи дослідному центрі. Ця теорія пропонує підхід до вивчення систем, які піддаються опису традиційними методами. Для багатьох вчених теорія хаосу є ще одним способом вирішення дуже важкихзавдань, які потребують свіжих ідей.
З часів Ньютона вчені прагнуть пояснити поведінку складної системи за допомогою лінійних (встановлюють просту пряму залежність) рівнянь, які встановлюють пряму пропорційність між величиною, заданою на вході системи, і величиною, що отримується при цьому на виході системи. Якщо знати всі змінні, вважають вони, і мати досить потужний комп'ютер, щоб врахувати всі невизначеності, то можна змоделювати (тобто описати в математичних термінах) будь-яку систему, якою б складною вона не була. Прикладом може бути довгостроковий прогноз погоди. Метеорологи були серед тих, хто думав, нові суперкомп'ютери зроблять довгострокові прогнози погоди остаточно надійними, але так не сталося. Працюючи над комп'ютерними моделями погоди, метеоролог із Массачусетського технологічного інституту Едуард Лоренц показав, що моделі хаотичних систем чітко залежать від початкових умов і найменших, але непередбачуваних змінних параметрів — інакше кажучи, погода, по суті, є хаотичною.
Закон істинності в хаосі:
«Будь-який хаотичний (броунівський) рух призводить до утворення осмислених пар. Пари прагнуть склеювання. Або з плином процесу в ньому з'являється свідомість і порядок. Хаос далеко (миріади та диміади світлових років), але ми знаємо його закон. Значить, ми звідти, або були в ньому».
У цих словах і полягає сенс найважливішої проблеми – проблеми Вибору.
Ентропія (грец. en - в, всередину, trope - поворот, перетворення) - одна з величин, що характеризують тепловий стан тіла або системи тіл; міра внутрішньої невпорядкованості системи; при всіх процесах, що відбуваються в замкнутій системі, ентропія або зростає (незворотні процеси), або залишається постійною(Зворотні процеси).
Центральним поняттям термодинаміки є ентропія S. Ентропія – це функція стану, диференціал від якої дорівнює наведеному теплу dS = dQ/T, де Q – кількість тепла, Т – температура. Ентропія довго вважалася тінню «цариці-енергії» W, її загадковим двійником. Їхня поведінка в замкнутій системі по-різному. Енергія в замкнутій системі не створюється та не знищується. Вона зберігається і може служити індикатором зміни у системі (W = const). Ентропія постійно створюється у кожному процесі початку рівноваги. Поведінка ентропії визначається другим початком термодинаміки чи законом зростання ентропії.
Зростання ентропії не безмежний. Її значення у рівновазі максимально. Другий початок термодинаміки - це закон і принцип відбору, що обмежує фізично реалізовані стани, які можна спостерігати або "приготувати". Закон забороняє створення "вічного двигуна 2-го роду".
Відомий другий початок (закон) термодинаміки у формулюванні німецького фізика Р. Клаузіуса звучить так: «Теплота не переходить мимовільно від холодного тіла до гарячішого». Закон збереження та перетворення енергії (перший початок термодинаміки), в принципі, не забороняє такого переходу, аби кількість енергії зберігалася в колишньому обсязі.
Але насправді це ніколи не відбувається. Цю однобічність, односпрямованість перерозподілу енергії у замкнутих системах і підкреслює другий початок термодинаміки. Для відображення цього процесу термодинаміку було введено нове поняття «ентропія». Під ентропією стали знижувати міру безладдя системи. Точніше формулювання другого початку термодинаміки набула такого вигляду: при мимовільних процесах у системах, що мають постійну енергію, ентропія завжди зростає. Фізичнийсенс зростання ентропії зводиться до того що, що що складається з деякого безлічі частинок ізольована (з постійною енергією) система прагне перейти у стан із найменшою впорядкованістю руху частинок. Це і є найпростіший стан системи або термодинамічна рівновага, при якому рух частинок хаотичний. Максимальна ентропія означає повну термодинамічну рівновагу, що еквівалентно хаосу.
Однак, виходячи з теорії змін Пригожина, ентропія не просто безперервне зісковзування системи до стану, позбавленого будь-якої організації. За певних умов ентропія
стає прародителькою порядку.
*Макроскопічний стан тієї чи іншої термодинамічної системи, що складається з кінцевої множини елементів (атомів, молекул), традиційно характеризується за допомогою ентропії Больцмана (Е), що статистично виражає другий початок термодинаміки і має вигляд:
де: - Постійна Больцмана, а W - термодинамічна ймовірність, що є числом можливих мікростанів системи, за допомогою яких може бути реалізований даний макростан.
Закон зростання ентропії застосуємо лише до досить великих зборів частинок, а окремих молекул його просто неможливо сформулювати.
Питання пов'язані з ентропією в складних системах і закон зростання ентропії, дають можливість об'єктивно сприймати процеси, що протікають у природі, і визначати можливості втручання в ці процеси.
Закон зростання ентропії є частиною другого початку термодинаміки, яким зазвичай називається одержане дослідним шляхом твердження про неможливість побудови вічного двигуна другого роду.
1. Ф.Ю. Зігель. Невичерпність нескінченності. Москва, "Наука", 1984
2.П. Еткінс. Порядок і безладдя у природі. Переклад з англійської Ю.Г. Рудого. Москва, "Світ", 1987
3. Д. Лейзер. Створюючи картину Всесвіту. Переклад з англійської С.А. Ламзіна. Москва, "Світ", 1988
4. Дж. Нарлікар. Шалений Всесвіт. Переклад з англійської С.В. Будника. Москва, "Світ", 1985