Московский  государственный  университет экономики, статистики и информатики.  
Кафедра АСОИиУ.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
      Реферат на тему «Концепция необратимости и термодинамика».

      Выполнил: Сафонов Игорь  Николаевич, 
ДМА-101, 2009

 

Оглавление

            Введение 3

     Термодинамика и концепция необратимости. 3

     Заключение. 7

 

      Введение

     До  возникновения термодинамики понятие  времени, по существу, отсутствовало  в классической физике в том виде, в каком оно рассматривается  в реальной жизни и в науках, изучающих процессы, протекающие  во времени и имеющие свою историю. Хотя в качестве переменной время  входит во все уравнения классической и квантовой механики, тем не менее оно не отражает внутренних изменений, которые происходят в системе. Именно поэтому в уравнениях физики его знак можно менять на обратный, т.е. относить его как к будущему, так и к прошлому.

     Положение существенно изменилось после того, как физика вплотную занялась изучением  тепловых процессов, законы которых  были сформулированы в классической термодинамике. Если прежняя динамика описывала законы движения тел под  воздействием внешних сил, сознательно  отвлекаясь от внутренних изменений, происходящих в механических системах, то термодинамика  вынуждена была исследовать физические процессы при различных преобразованиях  тепловой энергии. Однако она не анализирует  внутреннего строения термодинамических  систем, как это делает статическая  физика, рассматривающая теплоту  как беспорядочное движение огромного  числа молекул.

     Термодинамика и концепция необратимости.

     Термодинамика как наука возникла из обобщения фактов, описывающих явление передачи, распространения и превращения тепла, т.е. тепло, возникшее в результате механической работы, нельзя снова превратить в энергию для выполнения новой работы. С другой стороны, известно, что часть тепловой энергии превращается в механическую работу. Все эти факты нашли объяснение в законах термодинамики.

     1 закон термодинамики. Тепло Q, полученное замкнутой системой, идет на увеличение внутренней энергии U системы и выполнение работы W, производимую системой против внешних сил: Q= U+W ,

     где Q>0 - если тепло подводится к системе;

           Q<0 - если тепло отводится от системы;

         W>0 - если система производит работу;

         W<0 - если над системой внешними силами совершается работа.

     Классификация термодинамических систем.

     Закрытая  термодинамическая  система- это система, которая не может обмениваться веществом с внешней средой. ( например, космический корабль).

     Открытая  термодинамическая  система- это система, которая может обмениваться веществом с внешней средой ( например, живые организмы).

     Замкнутая (изолированная) термодинамическая  система- это система, которая не может обмениваться ни веществом, ни энергией с внешней средой. (идеализированные системы).

     Согласно 1 закону термодинамики в определенных термодинамических системах могут протекать такие процессы, при которых полная энергия системы остается неизменной. Превращение тепловой энергии целиком в механическую работу не нарушает этот закон, однако, такой процесс невозможен. Второй закон термодинамики еще больше ограничивает возможные процессы превращения.

     2 закон термодинамики. Теплоту можно превратить в работу только при условии, что часть этой теплоты одновременно перейдет от горячего тепла к холодному( принцип действия тепловых двигателей). Чтобы теплота могла перейти от холодного тепла к горячему, необходимо затратить механическую работу ( принцип действия холодильных машин ).

     Согласно 2 закону термодинамики в замкнутой системе в отсутствии каких-либо процессов теплота не может самопроизвольно перейти от более холодных частей системы к более горячим. В дальнейшем немецкий физик Рудольф Клаузиус (1822—1888) использовал для формулировки второго закона термодинамики понятие энтропии, которое впоследствии австрийский физик Людвиг Больцман (1844—1906) интерпретировал в терминах изменения порядка в системе. Когда энтропия системы возрастает, то соответственно усиливается беспорядок в системе.

     Энтропией называют параметр состояния системы, дифференциал которой равен

        ,

     где - количество теплоты, полученное (или отданное) системой;

            Т- температура теплоотдающего тела.

     При получении тепла системой ( dQ>0 ) энтропия системы возрастает ( dS>0 ), а если система отдает тепло ( dQ<0 ) , то ее энтропия убывает ( dS<0 ).

     Поскольку понятие энтропии вводится в дифференциальном виде, то ее значение может быть определено только с точностью до константы (абсолютное значение определить невозможно).

     В статистической физике энтропия связывается  с вероятностью термодинамического состояния системы и является мерой упорядоченности системы:

      ,

     где P- термодинамическая вероятность  состояния системы.

     Если  Т=0, то  P=1 , а если Т>0 , то  Р<1 .

     Таким образом, при повышении температуры  термодинамическая вероятность  состояния уменьшается, увеличивается  хаотичность системы, энтропия возрастает.

     Используя понятие энтропии, формулировка II закона термодинамики упрощается:

     Энтропия  замкнутой системы  постоянно возрастает.

     А это означает, что такие системы  эволюционируют в сторону увеличения в них беспорядка, хаоса и дезорганизации, пока не достигнут точки термодинамического равновесия, в которой всякое производство работы становится невозможным.

     Поскольку об изменении систем в классической термодинамике мы можем судить по увеличению их энтропии, то последняя и выступает в качестве своеобразной стрелы времени. В механических системах ни о каком реальном времени говорить не приходится. Задав в них начальное состояние (координаты и импульсы), можно согласно уравнениям движения как характеристику однозначно определить любое другое их состояние в будущем или прошлом. Поэтому время в них выступает просто как параметр, знак которого можно менять на обратный, и, таким образом, вернуться к первоначальному состоянию системы. Ничего подобного не встречается в термодинамических процессах, которые являются необратимыми по своей природе.

     Термодинамика впервые ввела в физику понятие  времени в весьма своеобразной форме, а именно необратимого процесса возрастания энтропии в системе. Чем выше энтропия системы, тем больший временной промежуток прошла система в своей эволюции.

     Очевидно, что такое понятие о времени, и особенно об эволюции системы, коренным образом отличается от понятия эволюции, которое лежало в основе теории Дарвина. В то время, как в дарвиновской теории происхождения новых видов растений и животных путем естественного отбора эволюция направлена на выживание более совершенных организмов и усложнение их организации, в термодинамике эволюция связывалась с дезорганизацией систем. Это противоречие оставалось неразрешенным вплоть до 60-х гг. нашего века, пока не появилась новая, неравновесная термодинамика, которая опирается на концепцию термодинамики необратимых процессов.

     Классическая  термодинамика оказалась неспособной  решить и космологические проблемы характера процессов, происходящих во Вселенной. Первую попытку распространить законы термодинамики на Вселенную  предпринял один из основателей этой теории — Р.Клаузиус, выдвинувший два постулата:

1. энергия Вселенной всегда постоянна;
2. энтропия Вселенной всегда возрастает.

     Если  принять второй постулат, то необходимо признать, что все процессы во Вселенной  направлены в сторону достижения состояния термодинамического равновесия, соответствующего максимуму энтропии, а следовательно, состояния, характеризуемого наибольшей степенью хаоса, беспорядка и дезорганизации. В таком случае во Вселенной наступит тепловая смерть и никакой полезной работы в ней произвести будет нельзя. Такие мрачные прогнозы встретили критику со стороны ряда выдающихся ученых и философов, но в середине прошлого века было еще мало научных аргументов для опровержения мнения Р.Клаузиуса и обоснования альтернативного взгляда. Некоторые авторы предполагали, что наряду с энтропийными процессами в природе происходят антиэнтропийные процессы, которые препятствуют наступлению «тепловой смерти» во Вселенной. Другие высказывали сомнение в правомерности распространения понятий термодинамики, в частности энтропии, с отдельных систем на Вселенную в целом. Но только единицы догадывались, что само понятие закрытой, или изолированной, системы является далеко идущей абстракцией, не отражающей реального характера систем, которые встречаются в природе.

     Гипотеза  Клаузиуса, основанная на представлении Вселенной закрытой системой, является абстракцией, не отражающей реальный характер природных систем, которые способны обмениваться энергией , веществом и информацией с окружающей средой, т.е. являются открытыми системами. В открытых системах также производится энтропия, т.к. имеют место необратимые процессы, но в отличие от закрытых систем она не накапливается, а выводится в окружающую среду. Открытые системы живут за счет заимствования порядка из внешней cреды.

     Заключение.

     Сделаем некоторые выводы из вышесказанного:

1. Если к системе подводится тепло и над ней производится работа, то энергия системы возрастает до величины, равной сумме этих величин. Невозможно осуществить процесс, единственным результатом которого было бы превращение тепла в работу при постоянной температуре. Тепло не может перетечь самопроизвольно от холодного тела к горячему.
2. Энтропия есть мера неупорядоченности системы. Энтропия замкнутой системы, т. е. системы, которая не обменивается с окружением ни энергией, ни веществом, постоянно возрастает.
3. Энтропия системы, находящейся в равновесном состоянии, максимальна и постоянна.
4. Второе начало термодинамики устанавливает в природе наличие фундаментальных асимметрий, т. е. однонаправленности всех происходящих самопроизвольных процессов. Об этой асимметрии, выделенной Клаузиусом, говорят все окружающие нас явления. Хотя количество энергии в замкнутых системах сохраняется, распределение энергии меняется необратимым способом. Распространение принципа возрастания энтропии на всю Вселенную привело Клаузиуса к гипотезе "тепловой смерти Вселенной".
5. Большинство систем являются открытыми, т. е. обменивающимися энергией или веществом с окружающей средой, поэтому понятие термодинамики расширялись для открытых систем. Энтропия в открытых системах может возникать и переноситься. Именно поэтому понятие тепловой смерти Вселенной является абстракцией и неприменимо.

 

      Список  литературы

     Рузавин Г.И. (2008). Концепции современного естествознания. Москва: ЮНИТИ-ДАНА.

     Алексеев  С.И.. (2003). Концепция современного естествознания. Москва: Московский международный институт эконометрики, информатики, финансов и права.