НАЧАЛА ТЕРМОДИНАМИКИ. САМООРГАНИЗАЦИЯ

НАЧАЛА ТЕРМОДИНАМИКИ.
САМООРГАНИЗАЦИЯ
Термодинамика (от греч. therme — тепло +
dynamis — сила) — раздел физики, изучающий
соотношения и превращения теплоты и других
форм энергии.
Все процессы, протекающие в природе, могут
быть разделены на:
равновесные
неравновесные
Классическая термодинамика
Неравновесная термодинамика
4 начала термодинамики
Нулевое начало
Существует
функция
состояния
–
температура. Равенство температур во всех
точках есть условие равновесия двух систем
или двух частей одной и той же системы.
или
Для
каждой
изолированной
термодинамической системы существует
состояние термодинамического равновесия,
которого она при фиксированных внешних
условиях с течением времени самопроизвольно
достигает.
Юлиус Роберт фон Майер (1814 - 1878) немецкий врач и естествоиспытатель
Джеймс Прескотт Джоуль (1818 - 1889) английский физик, пивовар
Герман Людвиг Фердинанд фон Гельмгольц
(1821 - 1894) –
немецкий физик, физиолог и психолог
Первое начало (закон сохранения энергии)
Каждая термодинамическая система обладает
характеристической функцией состояния –
энергией. Эта функция состояния возрастает
на величину сообщенного системе тепла Q и
уменьшается
на
величину
совершенной
системой
внешней
работы
A.
Для
изолированной системы справедлив закон
сохранения энергии:
Первое начало (закон сохранения энергии)
Q = A + U
Количество теплоты подведенное к телу
расходуется на изменение внутренней энергии и
совершение работы.
Первое начало (закон сохранения энергии)
или
Полная энергия замкнутой системы не
изменяется (вечный двигатель первого рода
невозможен, т. е. невозможен переход всей
подводимой к системе энергии в полезную
работу) т.к. невозможен полный переход
тепловой энергии в механическую и обратно.
Вечный двигатель (лат. Perpetuum Mobile) — воображаемое
устройство, позволяющее получать полезную работу,
большую, чем количество сообщённой ему энергии (КПД
больше 100 %).
Вечный двигатель первого рода — воображаемое устройство,
способное бесконечно совершать работу без затрат топлива
или других энергетических ресурсов. Согласно закону сохранения
энергии, все попытки создать такой двигатель обречены на
провал. Невозможность вечного двигателя первого рода
постулируется в термодинамике как первое начало
термодинамики.
Индийский или арабский вечный
двигатель с небольшими косо
закрепленными сосудами, частично
наполненными ртутью.
Одна из древнейших конструкций
вечного двигателя
Конструкция вечного двигателя, основанного на
законе Архимеда
Мнимый вечный
двигатель в городе
Лос-Анжелесе...
Второе начало (энтропия и энергия).
В 1850г немецкий физик Р. Клаузиус сформулировал
второе начало термодинамики: невозможен процесс,
при котором теплота переходила бы самопроизвольно
от более холодных тел к более нагретым.
Независимо от Клаузиуса в 1851г У. Томсон (лорд
Кельвин)
дал
второму
началу
формулировку:
невозможно построить периодически действующую
тепловую машину, вся деятельность которой
сводилась бы к совершению механической работы и
охлаждения тепла резервуара.
В 1854 г. Клаузиус ввел понятие энтропии.
Рудольф Юлиус Эммануель Клаузиус (1822 - 1888) немецкий физик и математик
Второе начало (энтропия и энергия)
Каждая термодинамическая система обладает
функцией состояния, называемой энтропией S.
S = Q/T
Энтропия
замкнутой
системы
при
необратимых процессах возрастает (не может
уменьшаться), (вечный двигатель второго рода
невозможен).
S0
Вечный двигатель второго рода — воображаемая машина,
которая, будучи пущена в ход, превращала бы в работу всё
тепло, извлекаемое из окружающих тел. Невозможность
вечного
двигателя
второго
рода
постулируется
в
термодинамике в качестве одной из эквивалентных
формулировок второго начала термодинамики.
Драматическая формулировка второго начала
термодинамики, принадлежащая Клаузиусу:
“Энтропия Вселенной возрастает”. Из этого
утверждения
следует,
что
Вселенная
движется к “тепловой смерти”.
Третье начало (тепловая теорема Нернста)
“При абсолютном нуле температуры энтропия
принимает значение S0, не зависящее от
давления, агрегатного состояния и других
характеристик вещества. Эту величину можно
принять равной нулю”.
Илья Романович Пригожин (1917 – 2003) бельгийский и американский физик и химик
российского происхождения, лауреат Нобелевской
премии по химии 1977 года.
Общим
свойством
неравновесных
(открытых, незамкнутых) систем (т. е.
систем, способных обмениваться веществом и
энергией с внешней средой) является их
самоорганизация.
Самоорганизация – процесс взаимодействия
элементов, в результате которого происходит
возникновение нового порядка или структуры в
системе.
Новая структура была названа диссипативной от
лат. dissipatio – рассеивание, она более сложная, чем
первоначальная.
Диссипативные
структуры
–
упорядоченные
образования,
возникающие
в
диссипативных
системах в ходе неравновесных необратимых
процессов, которые могут существовать только при
диссипации (рассеивании) энергии от внешнего
источника (новые структуры, требующие для своего
становления большого количества энергии).
Илья Пригожин 1977 г. - Нобелевская премия по химии, за разработку теории
диссипативных структур.
В развитии системы можно выделить следующие этапы:
– система должна быть открытой (обязательный обмен энергией и
(или) веществом с окружающей средой);
– неравновесность системы – достигается при определенных
состояниях и при определенных значениях параметров,
характеризующих систему, которые приводят систему в
критическое состояние, сопровождаемое потерей устойчивости;
– возникновение флуктуаций (от лат. fluctuatio – колебание,
случайные отклонения наблюдаемых физических величин от их
средних значений) ;
– достижение точки бифуркации
– критического значения
параметров системы, при которых возникает неоднозначный
переход в новое состояние.
– скачок – переход системы в новое более упорядоченное
состояние.
Витязь
в
"точке
бифуркации". Выбор им
дальнейшего пути не
только влияет на его
собственную судьбу, но
может даже изменить
ход
истории
целого
государства.
1. Переход ламинарного течения в
турбулентное
Ячейки Бенара
3. Модель Лотки-Вольтерра (хищник-жертва)
Элементы
Классический пример согласованных периодических колебаний численности хищника и
жертвы: рост численности зайцев стимулирует рост численности рысей,
размножившиеся рыси выедают зайцев и сами начинают голодать, снижение
численности рысей ведет к новому подъему численности зайцев и т. д.
Реакция Белоусова-Жаботинского
Генерация в атомной системе
Эволюция жизни на Земле
Синергетика от греч “синергена” - содействие,
сотрудничество, “вместедействие” .
1) По определению ее создателя Германа Хакена –
занимается изучением систем, состоящих из
многих подсистем самой различной природы,
таких как электроны, атомы, молекулы,
клетки, нейтроны, механические элементы,
фотоны, органы животных и даже люди…
2) Область научных исследований, целью которых
является выявление общих закономерностей в
процессах
образования,
устойчивости
и
разрушения
упорядоченных
временных
и
пространственных
структур
в
сложных
неравновесных системах различной природы.
Синергетика – молодое научное направление,
представляющее
междисциплинарную
универсальную теорию самоорганизации процессов
самой различной природы.
Проблема выяснения условий возникновения порядка
из хаоса – задача номер один современной науки.