- •Е.П. Прохорова
- •О.И. Тесленок
- •Современного естествознания
- •Введение
- •1. Понятие и история естествознания
- •Предмет и содержание современного естествознания. Естествознание как наука
- •1.2 Понятие, основные принципы и динамика развития науки
- •1.3 Методы и уровни научного познания
- •Всеобщие методы (общефилософские):
- •1.4 Исторические этапы познания природы. Научные революции и их значение
- •1.5 Выводы
- •2. Современная физическая картина мира
- •2.1 Введение в физику. Концепции описания природы.
- •2.2 Структурные уровни материи
- •2.3 Основы классической физики.
- •2.3.1 Механистическая картина мира
- •2.3.2 Законы сохранения.
- •2.3.3 Термодинамическая картина мира
- •3.2.4 Электромагнитная картина мира
- •2.4 Основы неклассической физики
- •2.4.1 Пространство и время. Принципы относительности
- •2.4.2 Эволюция представлений о строении атома. Корпускулярно-волновой дуализм.
- •2.4.3 Классификация элементарных частиц
- •2.4.4 Типы фундаментальных взаимодействий
- •2.5 Выводы
- •3. Современная химическая картина мира
- •3.1 Химия как наука. Этапы развития химии.
- •3.1.1 Учение о составе вещества
- •3.1.2 Учение о строении вещества
- •3.1.3 Учение о химических процессах
- •3.2. Особенности современной химии. Эволюционная химия
- •3.3 Выводы
- •4. Современные представления о мегамире
- •4.1 Происхождение и общие представления о Вселенной
- •4.1.1 Происхождение Вселенной
- •4.1.2 Общие представления о Вселенной
- •4.2 Происхождение и структура Солнечной системы
- •4.2.1 Структура Солнечной системы
- •4.2.2 Происхождение Солнечной системы.
- •4.3 Особенности планеты Земля
- •4.4 Выводы
- •5. Современная картина биологической реальности
- •5.1 Введение в биологию. Структура и уровни биологического познания
- •5.2 Сущность и определения жизни, отличительные признаки живого
- •5.3 Основные гипотезы происхождения жизни на Земле. Биохимическая эволюция.
- •5.4 Клетка как элементарная единица живого
- •5.5 Роль и функции днк и рнк как основы жизни
- •5.6 Эволюционная теория ч.Дарвина
- •5.7 Синтетическая теория эволюции.
- •5.8 Выводы
- •6 Основы учения в.И. Вернадского о биосфере
- •6.2 Принципы устройства биосферы, ее состав и строение
- •6.3 Теория ноосферы
- •6.4 Выводы
- •7 Феномен человека в естественнонаучной картине мира
- •7.1 Концепции происхождения человека и цивилизации
- •7.2 Сходство и отличие человека и животных
- •7.3 Соотношение в человеке биологического и социального
- •7.4 Стратегии выживания в современных условиях Устойчивое развитие
- •7.5 Глобальный эволюционизм
- •7.6 Выводы
- •8 Естествознание на рубеже XX и XXI веков
- •8.1 Перспективные материалы и технологии
- •8.2 Генные технологии. Проблемы клонирования
- •8.3 Кибернетика как наука об управлении сложными динамическими системами
- •8.4 Синергетика и современный взгляд на мир. Физические модели самоорганизации в экономике
- •8.5 Выводы
- •Литература
2.3.3 Термодинамическая картина мира
Второй составляющей классической физики является термодинамика. Термодинамика описывает тепловые явления в макромире и опирается на положения молекулярно-кинетической теории строения вещества. Основные положения молекулярно-кинетической теории:
любое вещество состоит из большого числа молекул;
молекулы вещества находятся в состоянии непрерывного хаотического движения;
скорость движения молекул зависит от температуры тела;
между молекулами действуют силы притяжения и отталкивания.
Согласно положениям молекулярно-кинетической теории теплота рассматривается как характеристика внутреннего движения частиц: чем больше скорость движения частиц, тем выше температура тела. Таким образом, теплота есть мера изменения энергии тела.
Классическая термодинамика сформулировала несколько принципов (начал). Всякая термодинамическая система обладает внутренней энергией – энергией теплового (поступательного, вращательного и колебательного) движения молекул и потенциальной энергией их взаимодействия. Возможны два способа изменения внутренней энергии системы при ее взаимодействии с внешними телами: путем совершения работы и путем теплообмена. Известно, что в процессе превращения энергии действует закон сохранения энергии. Поскольку тепловое движение тоже механическое (только не направленное, а хаотическое), то для всех тепловых явлений должен выполняться закон сохранения энергии не только внешних, но и внутренних движений. Из этого вытекает первое начало термодинамики.
Первое начало термодинамики: количество теплоты ΔQ , сообщенное телу, идет на увеличение его внутренней энергии ΔU и на совершение телом работы А:
Δ Q= ΔU+ A
Из первого начала термодинамики следует важный вывод: невозможно создать вечный двигатель первого рода, т. е. такой двигатель, который совершал бы работу «из ничего», без внешнего источника энергии. При наличии внешнего источника часть энергии неизбежно переходит в энергию теплового, хаотического движения молекул, что и является причиной невозможности полного превращения энергии внешнего источника в полезную работу.
Термодинамические процессы необратимы. Приведем пример необратимого процесса. Если привести в соприкосновение два тела с различной температурой, то более нагретое тело будет отдавать тепло менее нагретому. Обратный процесс – самопроизвольный переход тепла от менее нагретого тела к более нагретому – никогда не произойдет.
Любая предоставленная самой себе система стремится перейти в состояние термодинамического равновесия, в котором тела находятся в состоянии покоя, обладая одинаковыми температурами и давлением. Достигнув этого состояния, система сама по себе из него не выходит. Следовательно, с помощью тел, находящихся в термодинамическом равновесии, невозможно совершить никакую работу.
Второе начало термодинамики: нельзя осуществить работу за счет энергии тел, находящихся в состоянии термодинамического равновесия. Второе начало термодинамики часто формулируют иначе: в закрытой системе тепло не может самопроизвольно перейти от холодного тела к горячему.
Для отражения однонаправленности процесса передачи энергии было введено понятие энтропия (от греч. entropia — поворот, превращение). Энтропия (S) – величина, которая характеризует состояние системы и является мерой ее неупорядоченности (беспорядка, хаоса). Когда к системе подводится некоторое количество теплоты, ΔQ, то энтропия системы S возрастает на величину, равную ΔS = ΔQ/T.
Второе начало термодинамики называют также законом возрастания энтропии (немецкий физик Р.Ю. Клаузиус): для всех происходящих в замкнутой системе тепловых процессов энтропия системы возрастает; максимально возможное значение энтропии замкнутой системы достигается в тепловом равновесии.
Физический смысл закона возрастания энтропии сводится к тому, что изолированная система самопроизвольно стремится перейти в состояние с наименьшей упорядоченностью, т.е. в состояние с наибольшим беспорядком. Это наиболее простое состояние системы (или состояние термодинамического равновесия). Следовательно, максимального значения энтропия достигает в состоянии полного термодинамического равновесия, что эквивалентно макимальному хаосу.
Таким образом, замкнутая система, находящаяся в состоянии равновесия, обладает максимальной неупорядоченностью и минимальной энергией.
В середине XIX в. активно обсуждалась проблема тепловой смерти Вселенной. Рассматривая Вселенную как замкнутую систему и применяя к ней второе начало термодинамики, В.Томпсон и Р.Ю. Клаузиус утверждали, что энтропия Вселенной в процессе ее эволюции должна достигнуть своего максимума. Это означает, что все формы движения во Вселенной со временем перейдут в тепловые. Переход же теплоты от горячих тел к холодным приведет к тому, что температура всех тел сравняется, т. е. наступит полное тепловое равновесие, и все процессы прекратятся – наступит тепловая смерть Вселенной.
Ошибочность вывода о тепловой смерти заключается в том, что Вселенная является безграничной, бесконечно развивающейся незамкнутой системой, и к ней нельзя применять второе начало термодинамики, которое описывает замкнутые системы.
Классическая термодинамика находиться в противоречии с теорией эволюции Ч.Дарвина, согласно которой процесс развития растительного и животного мира характеризуется непрерывным усложнением, нарастанием организованности и порядка. Живая природа стремится уйти от термодинамического равновесия и хаоса, т.е. наблюдается явное несоответствие законов развития неживой и живой природы. Эти противоречия объясняет синергетика - междисциплинарное направление научных исследований, задачей которого является изучение природных явлений и процессов на основе принципов самоорганизации систем. Стоит отметить, что в философию постулат о способности материи к саморазвитию, самоорганизации был введен достаточно давно. А вот необходимость его рассмотрения в естественных науках начинает осознаваться только сейчас. Общий смысл положений синергетики будет рассмотрен в следующих главах пособия (см.п. 8.4).