Зміст реферату:

Реферат на тему "Концепції сучасного природознавства" студента I курсу Славова Петера

Зміст реферату:

  • Загальна характеристика ентропії
  • Термодинаміка на рівні мікросвіту
  • "Теплова смерть" Всесвіту
  • Бібліографія

Загальна характеристика ентропії

Ентропія (грец. en 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).

Вперше поняття ентропії було запроваджено німецьким фізиком Рудольфом Клаузіусом у середині минулого століття. Він та англійський лорд Вільям Томсон (Кельвін) відкрили другий початок термодинаміки та зробили з нього несподівані висновки. Це початок встановлює наявність у природі фундаментальної асиметрії, тобто односпрямованості всіх мимовільних процесів, що відбуваються в ній. Про цю асиметрію свідчить все навколишнє нас: гарячі тіла з часом охолоджуються, проте холодні власними силами зовсім не стають гарячими; м'яч, що стрибає, врешті-решт зупиняється, проте м'яч, що покоїться, мимоволі не почне підскакувати. Тут проявляється та властивість природи, яку Кельвін та Клаузіус змогли відокремити від властивості збереження енергії. Воно полягає в тому, що хоча повна кількість енергії має зберігатися в будь-якому процесі, розподіл наявної енергії змінюється незворотним чином. Другий початок термодинаміки вказує природний напрямок, у якому відбувається зміна розподілу енергії, причому цей напрямок зовсім не залежить від її загальної кількості (1). При всіх перетвореннях різні види енергії взрештою переходять у тепло, яке, будучи надане собі, розсіюється у світовому просторі. Так як такий процес розсіювання тепла необоротний, то рано чи пізно всі зірки згаснуть, всі активні процеси в Природі припиняться, і настане стан, який Клаузіус назвав "тепловою смертю" Всесвіту (2).

У ході міркувань про "теплову смерть" Всесвіту Клаузіус ввів деяку математичну величину, яку він назвав ентропією. Насправді ентропія служить мірою ступеня безладдя, ступеня хаотичності стану фізичної системи. Друге початок термодинаміки свідчить, що ентропія ізольованої фізичної системи будь-коли зменшується, - у разі вона може зберігати своє значення постійним (3).

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, нафта, 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 до зниження якості енергії Всесвіту. Оскільки у промислово розвиненому суспільстві процес використання ресурсів стрімко прискорюється, то ентропія Всесвіту неухильно зростає. Потрібно прагнути спрямувати розвиток цивілізації шляхом зниження рівня виробництва ентропії та збереження якості енергії (1).

Термодинаміка на рівні мікросвіту

Наприкінці минулого століття німецький фізик Людвіг Больцман вивів одну з чудових формул фізики, яка була вигравірувана на його надгробку: S=k.logW.

У ній укладено квінтесенцію роботи Больцмана. Буквою S позначена ентропія системи, k позначає фундаментальну світову постійну, яка називається сьогодні постійною Больцмана. Літерою W позначено міру невпорядкованості системи.

Формула Больцмана пов'язує ентропію із хаосом. У лівій частині рівності стоїть функція, введена в термодинаміку другим початком і характеризує будь-які мимовільні зміни. У правій частині рівності стоїть величина, пов'язана з хаосом і служить мірою розсіювання енергії у всесвіті. Поняття розсіювання чи деградації енергії становить основу механізму змін мікроскопічному рівні. Функція S непорушно належить класичній термодинаміці, а величина W безпосередньо відноситься до світу атомів - світу, що визначає "прихований" механізм змін, що відбуваються. Формула Больцмана - це своєрідний міст, що з'єднує світ доступних для нашого сприйняття подій і прихований за ними основний світатомів.

Величина W відповідає на запитання: скільки способів можна зробити перебудови всередині системи, так, щоб зовнішній спостерігач не помітив її. У формулюванні питання враховано те суттєве, що характеризує перехід від світу атомів до макроскопічної системи, а саме "сліпота зовнішнього спостерігача по відношенню до "індивідуальностей" атомів, що утворюють систему. Термодинаміка має справу лише з усередненою поведінкою величезних сукупностей атомів, причому поведінка кожного окремого атома Якщо зовнішній спостерігач, який вивчає термодинаміку, не помітив, що в системі відбулася зміна, то стан системи вважається незмінним (1).

Припустимо, що є один ізольований всесвіт, що складається з двох систем, таких, що всі атоми першої з них перебувають у збудженому стані, а всі атоми другої - у збудженому. Оскільки всі атоми першої системи збуджені, то збудження неспроможна переноситься всередині цієї системи, і є лише одне можливе розподіл цих атомів, отже, W=1. Згідно з формулою Больцмана, ентропія такої системи дорівнює нулю, і такий локалізований "потік" енергії має ідеальну якість. Але настане момент, коли збудження з якогось одного атома системи 1 перенесеться на якийсь атом системи 2. Після цього збудження в першій системі можуть бути розподілені по атомах багатьма різними способами, і хоча зовнішній спостерігач нічого цього не помічає, значення величини W набагато збільшилося: воно дорівнює числу різних способів вибору одного незбудженого атома в системі 1. Відповідно ентропія цієї системи теж зросла, система стала хаотичнішою, оскільки ми не знаємо, де саме знаходиться єдиний незбуджений атом. Ентропія системи 2 також зростає.Спочатку вона була також дорівнює нулю, так як в ній взагалі не було збуджених атомів і існувало їх єдине розташування в системі 1. Коли ж в неї перенісся один збуджений стан із системи 1, і один атом у системі 2 став збудженим, то з'явилося величезне число можливостей вибору положень цього атома у цій системі, і ентропія її збільшилася. При подальшому простеженні зміни початкового стану цих систем, можна дійти висновку, що максимум ентропії даного всесвіту досягається тоді, коли відношення числа збуджених атомів до незбуджених в першій системі дорівнює аналогічному відношенню в другій системі, тобто коли температури обох систем стали рівні. Отже, охолодження температури до теплової рівноваги відповідає зростанню її ентропії максимального значення (1).

Теплова рівновага - це приклад динамічної рівноваги, в основі якої лежить безперервний рух, і зовні сприймається спокій - не більше ніж ілюзія. Існує важлива особливість динамічної рівноваги. Теплова рівновага, як бачимо, відповідає максимуму ентропії всесвіту. Воно також відповідає деякому термодинамічного стану систем, яке може бути досягнуто максимальною кількістю способів. Якщо уявити всесвіт, в якому збуджені атоми можуть розподілятися по системах різними способами, то при цьому різні розподіли можуть відповідати різним термодинамічних станів, і взагалі кожному термодинамічного стану відповідатиме багато різних розподілів атомів. Тому будь-якому термодинамічного стану можна приписати ймовірність, пов'язану з числом різних способів, якими вона може бути досягнута на мікрорівні. При цьому, чим більше способів,якими може бути досягнуто даний стан, тим вища його ймовірність. Мається на увазі, що й кількість методів, якими може бути досягнуто цей стан велике, то збуджені атоми з більшою ймовірністю створять ту конфігурацію, що йому відповідає. У цьому сенсі однорідний розподіл атомів, який можна також визначити як стан, що досягається максимальною кількістю способів, є найімовірнішим станом всесвіту. Іншими словами, теплова рівновага відповідає найбільш ймовірному стану всесвіту (4).

Існує безліч станів всесвіту, і випадкове блукання енергії (стану збудження) у принципі дозволяє здійснити будь-яку з них. Якась частина всесвіту може перебувати у стані дуже малоймовірному. Але далі можна побачити, що всесвіт проходить через дедалі вірогідніші стани, і саме таким є природний напрямок мимовільної зміни. Коли всесвіт досягає вірогіднішого стану, який може бути здійснено більшим числом способів, майже немає сумніву, що він не повернеться в менш ймовірний стан, оскільки занадто мала ймовірність випадкового перенесення енергії, який повернув би всесвіт у цей стан. Таким чином, стан рівноваги всесвіту і є його найбільш імовірним станом. Якби порушення атомів переносилися цілеспрямовано, система могла б повернутися в минуле, але вони відбуваються безладно, а хаос не може подолати хаос - хіба що випадково.

Властивості моделі всесвіту точно відбивають властивості реального Всесвіту. Правда енергія реального Всесвіту здатна розсіюватися настільки численними способами, що при цьому можуть виникати і виявлятися стійкими найнезвичайніші структури, тоді як Всесвіт загалом фактично необоротний.рухається до стану рівноваги. Але незворотність природних змін визначається не суворо механічною, а імовірнісною детермінованістю, отже завжди залишається якась лазівка ​​для "чудес" (1).

Аналіз світу атомів показав, що це природні процеси мають супроводжуватися розсіюванням енергії, що означає поширення енергії, як шляхом переміщення носія енергії, і шляхом її переходу від одного носія до іншого. Розсіювання енергії означає також втрату впорядкованості у русі носіїв енергії та збільшення ентропії. Фактично всі у світі зводяться до проявів загального розсіювання енергії, що веде до хаосу. Але спад до загального хаосу не монотонний - в деякій локальній області він може зменшуватися, але це відбувається за рахунок виникнення ще більшого хаосу десь в іншому місці (4).

"Теплова смерть" Всесвіту

Після того, як Клаузіус зробив висновок з другого закону термодинаміки про "теплову смерть" Всесвіту, на спростування його були кинуті всі сили великих учених світу.

Больцман вважав по імовірнісному трактуванні другого початку, що Всесвіт нескінченний у просторі та часі. У більшості випадків вона перебуває в стані теплової смерті. Але іноді в деяких її районах виникають вкрай малоймовірні відхилення від звичайного стану Всесвіту, до яких належить Земля та весь видимий космос. Але розрахунки показали, що виникнення такої гігантської у просторі флуктуації, як космос, що спостерігається нами, де температури доходять до мільйонів градусів, практично дорівнює нулю. З філософського боку гіпотеза Больцмана неприйнятна передусім оскільки матерія у ній практично завжди перебуває у стані теплової смерті.

Радянський фізик К.П.Станюкович для пояснення термодинамічного парадоксу,спробував застосувати теорію множин. За його гіпотезою нескінченна в просторі і часі Всесвіт повинен проходити в процесі свого розвитку через безліч внутрішніх станів, причому це безліч має потужність континууму. Тоді такі стани Всесвіт не може пройти за якийсь кінцевий час. І хоча ентропія завжди зростає, вона ніколи не досягне максимуму, а отже, Всесвіт ніколи не прийде до стану теплової смерті.

Фізики-дослідники Л.Д.Ландау та Е.М.Ліфшиц довели, що будь-яка замкнута система може досягти максимуму ентропії лише за постійних незмінних зовнішніх умов. Тим часом гравітація як властивість чотиривимірного простору-часу всюди у Всесвіті дуже непостійна. Звідси також випливає, що Всесвіт ніколи не прийде до стану мертвої рівноваги.

"Друге початок" термодинаміки, сутнісно, ​​стверджує незворотність всіх процесів у Природі. Це означає, що природа розвивається, ніколи не повторюючи свої попередні стани. Отже, Всесвіт у тому вигляді, в якому ми його знаємо, вийшов із якогось іншого, невідомого нам стану матерії і перейде згодом у якісь інші форми існування. Цілком можливо, що для таких форм нинішні, відомі нам закони Природи виявляться непридатними, але це не означає смерть Всесвіту, а лише завершення одного з етапів розвитку матерії (2).

Бібліографія

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

Давайте скажемо за цей реферат ВЕЛИЧЕЗНЕ спасибіМаші Столбової.