12. Термодинамика и статическая физика.

Процессы передачи тепла являются необратимыми процессами. Их изучением занимается наука, называемая термодинамикой. Если классическая механика описывает законы движения тел под воздействием внешних сил, отвлекаясь от внутренних изменений, происходящих в механических системах, то термодинамика исследует физические процессы при различных преобразованиях тепловой энергии. Но она не анализирует внутреннее строение термодинамических систем, как это делает статистическая физика, рассматривая теплоту как беспорядочное движение огромного числа молекул. Термодинамика строится на основе фундаментальных принципов (начал), которые являются обобщением многочисленных наблюдений. Обоснование законов термодинамики, их связь с законами движения частиц, дается статистической физикой.

13. Открытые и замкнутые системы. Обратимы и необратимые процессы.

Вселенная рассматривается как совокупность взаимодействующих между собой систем. Системы бывают замкнутые, закрытые и открытые. Замкнутая система не обменивается с окружающей средой ни энергией, ни веществом. Закрытая обменивается энергией, но не обменивается веществом. Открытые обмениваются веществом и энергией. Процессы, происходящие в этих системах, по своему характеру делятся на обратимые и необратимые. Обратимым называется процесс, который отвечает следующим условиям:

1. Его одинаково легко можно провести в двух противоположных направлениях (колебания маятника).

2. В каждом из этих направлений система проходит через одни и те же состояния.

3. После проведения прямого и обратного процесса система и окружающие ее тела возвращаются к исходному состоянию.

Все реальные процессы необратимы. В открытых системах возможны процессы, которые удовлетворяют первым двум условиям обратимости, но не удовлетворяют третьему. Эти процессы называют квазистатическими. Их можно считать практически обратимыми в рамках открытых систем, но они необратимы для всей Вселенной в целом, например, лед весной превращается в воду за счет энергии солнечного излучения, но после замерзания зимой она не отдает высвобождающуюся при этом энергию назад Солнцу. Энергия излучается в космическое пространство в инфракрасном диапазоне и растворяется в бесконечности Вселенной.

14. Самоорганизация в открытых системах. Условия, необходимые для возникновения процессов самоорганизации.

Открытые системы обмениваются с окружающей средой энергией, веществом и информацией. Все реальные системы – открытые. В неорганической природе они обмениваются с внешней средой энергией и веществом. В социальных и гуманитарных системах к этому добавляется обмен информацией. В биологических системах информационный обмен осуществляется, в частности, передачей генетической информации.

Понятие закрытой или изолированной системы представляет собой абстракцию, слишком упрощающую и огрубляющую действительность, так как невозможно найти системы, не взаимодействующие с окружающей средой. Поэтому в новой термодинамике появилось понятие открытой системы, способной обмениваться с окружающей средой веществом, энергией и информацией.

Одно из первых определений открытой системы принадлежит выдающемуся физику Э.Шредингеру: средство, при помощи которого организм поддерживает себя постоянно на достаточно высоком уровне упорядоченности (равно на достаточно низком уровне энтропии), в действительности состоит в непрерывном извлечении упорядоченности из окружающей среды.

Взаимодействуя со средой, система заимствует извне новое вещество и выводит в окружающую среду отработанную энергию. В результате эволюции система постоянно производит энтропию, характеризующую степень беспорядка в системе. Но, в отличие от закрытых систем, энтропия не накапливается в ней, а удаляется в окружающую среду. Использованная, отработанная энергия рассеивается в окружающей среде. Такого рода материальные структуры, способные рассеивать энергию, называются диссипативными. Открытая система не может быть равновесной. С поступлением новой энергии неравновесность в системе возрастает. В конечном счете прежняя взаимосвязь между элементами системы, которая определяет ее структуру, разрушается. Между элементами системы возникают новые связи, которые приводят к изменению структуры. Так схематично можно представить процессы самоорганизации в открытых системах. Немецкий физик Г. Хакен, изучая процессы самоорганизации, назвал новое направление исследований синергетикой (в переводе с греческого: совместное действие или взаимодействие).

Условия, необходимые для возникновения самоорганизации:

1. Система должна быть открытой, потому что закрытая система должна придти в конечном итоге в беспорядочное состояние.

2. Открытая система должна находиться достаточно далеко от точки термодинамического равновесия. Если она находится в точке равновесия, то она обладает максимальной энтропией и не способна к организации.

3. Система должна быть нелинейной (ее поведение описывается нелинейным уравнением).

4. Для закрытых систем упорядочивающим принципом является эволюция в сторону увеличения их энтропии и усиления беспорядка, для открытых порядок возникает и усиливается через флуктуации (случайные отклонения системы от некоторого среднего положения). Эти отклонения со временем возрастают и в конце концов приводят к «расшатыванию» прежнего порядка и возникновению нового. Поскольку флуктуации носят случайный характер, то становится ясно, что появление в мире нового всегда связано с действием случайных факторов.

5. Принцип отрицательной обратной связи лежит в основе сохранения динамического равновесия систем. Для самоорганизации необходим принцип положительной обратной связи, когда изменения, появляющиеся в системе, не устраняются, а наоборот, накапливаются и усиливаются, что приводит к возникновению нового порядка.

6. Процессы самоорганизации сопровождаются нарушением симметрии (для описания необратимых процессов потребовался отказ от симметрии времени).

7. Система должна обладать достаточным количеством взаимодействующих между собой элементов и, следовательно, имеющих некоторые критические размеры.

Перечисленные условия являются необходимыми, но не достаточными для возникновения самоорганизации в различных системах природы.