Вопрос 23. Основные положения и выводы сто и ото.

Принцип относительности впервые сформулирован Г. Галилеем для механического движения. Механическое движение относительно, и его характер зависит от системы отсчета. Система, в которой выполняется первый закон Ньютона, называется инерциальной системой отсчета, такая система либо покоится, либо движется прямолинейно и равномерно относительно какой-либо другой системы, неподвижной или движущейся прямолинейно и с постоянной скоростью.

Для инерциальных систем выполняется механический принцип относительности — принцип относительности Галилея: во всех инерциальных системах отсчета законы классической динамики имеют одинаковую форму (т.е. уравнения динамики при переходе от одной инерциальной системы к другой не изменяются).

А. Эйнштейн в 1905 г. сформулировал принципы специальной теории относительности. В обобщенном виде они формулируются так: все инерциальные системы отсчета равноправны между собой (неотличимы друг от друга) в отношении протекания физических процессов или, другими словами, физические процессы не зависят от равномерного и прямолинейного движения системы отсчета.

Специальная теория относительности включает 2 постулата:

1. принцип относительности: никакие опыты (механические, электрические, оптические), проведенные в данной инерциальной системе отсчета, не дают возможности обнаружить, покоится ли эта система или движется равномерно и прямолинейно; все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системе к другой;

2.      принцип инвариантности скорости света: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источников света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета.

Инвариантность — неизменность физических величин или свойств природных объектов при переходе от одной системы отсчета к другой.

Общая теория относительности - теория тяготения, опубликованная Альбертом Эйнштейном в 1915—1916 годах. Из нее вытекает, что свойства пространства — времени зависят от поля тяготения.

В поле тяготения пространство-время обладают кривизной, что связано с присутствием массы и движения. Пространство и время зависят от материи, т.е. любое тело может менять геометрию пространства. Чем больше масса, тем больше искривляется пространство-время.

«Если из Вселенной убрать всю материю, исчезнут пространство и время» - пространство и время возникли, потому что появилась первоматерия; никакого «до» не существует.

«Если часы запустить со скоростью света, время замедлится», «Если стержень запустить со скоростью света, он сократится до 0» - при приближении к скорости света пространство сужается, а время замедляется.

Вопрос 24. Понятие закрытой и открытой системы. Переход от равновесной термодинамики классической науки к неравновесной термодинамики неклассической науки.

Закрытая система - термодинамическая система, которая может обмениваться с окружающей средой теплом и энергией, но не веществом, в отличие от изолированной системы, которая не может обмениваться с окружающей средой ничем, и открытой системы, которая обменивается с другими телами как теплом и энергией, так и веществом.

Если закрытая система проста, т. е. имеет только один тип элементов (атомов или молекул), то количество этих элементов является постоянной величиной. Тем не менее, в системах, которые подвергаются химическим реакциям, могут существовать самые разные виды молекул, которые образовываются и уничтожаются в процессе реакции. Поэтому, система остаётся закрытой в том случае, если общее количество каждого элементарного атома сохранено, не зависимо от того, частью какого типа молекул он является.

Математически:  , где Nj - количество молекул типа j, aij - количество атомов элемента i в молекуле j, и  - общее количество атомов элемента i в системе, которое остается постоянным, так как система закрытая. Может существовать только одно такое уравнение для каждого элемента в системе.

Открытая система  — физическая система, которую нельзя считать закрытой по отношению к окружающей среде в каком-либо аспекте — информационном, вещественном, энергетическом и т. д. Открытые системы могут обмениваться веществом, энергией, информацией с окружающей средой. Открытые системы активно взаимодействуют с внешней средой, причем наблюдатель прослеживает это взаимодействие не полностью. Взаимодействие с окружающей средой характеризуется высокой неопределенностью.

При определенных условиях открытая система может достигать стационарного состояния, в котором ее структура или важнейшие структурные характеристики остаются постоянными, в то время как система осуществляет со средой обмен веществом, информацией или энергией. Открытые системы в процессе взаимодействия со средой могут достигать так называемого эквифинального состояния, то есть состояния, определяющегося лишь собственной структурой системы и не зависящего от начального состояния среды.

Открытые системы могут сохранять высокий уровень организованности и развиваться в сторону увеличения порядка и сложности, что является одной из наиболее важных особенностей процессов самоорганизации.

Понятие открытой системы является одним из основных в синергетике, неравновесной термодинамике, в статистической физике и в квантовой механике.

Открытые системы имеют важное значение не только в физике, но и в общей теории систем, биологии, кибернетике, информатике, экономике. Биологические, социальные и экономические системы необходимо рассматривать как открытые, поскольку их связи со средой имеют первостепенное значение при их моделировании и описании.

Термодинамика возникла из обобщения многочисленных фактов, описывающих явления передачи, распространения и превращения тепла. Здесь самый очевидный факт тот, что распространение тепла — это процесс необратимый. Например, в результате трения или выполнения другой механической работы, нельзя снова превратить в энергию и потом использовать для производства работы.

Законы классической термодинамики:

1.      (закон сохранения энергии) Если в системе производится тепло Q и над ней производится работа W, то энергия системы возрастает до величины U: U = Q + W

2.      Тепло не может перетечь самопроизвольно от холодного тела к горячему.

( нельзя произвести работу за счет охлаждения озера или моря при установившейся температуре).

Немецкий физик Рудольф Клаузиус использовал для формулировки второго закона понятие энтропии — изменение порядка в системе.  Когда энтропия в системе возрастает, то соответственно усиливается беспорядок в системе. ТО ЕСТЬ:

Энтропия замкнутой системы, т.е. системы, которая не обменивается с окружением ни энергией, ни веществом, постоянно возрастает.

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

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

Очевидно, что такое понятие о времени и особенно об эволюции системы коренным образом отличается от понятия эволюции, лежавшей в основе теории Дарвина. В то время как в дарвинской теории происхождение новых видов растений и животных путем естественного отбора эволюция направлена на выживание более совершенных организмов и осложнение их организации, в термодинамике эволюция связывалась и дезорганизацией системы. Это противоречие оставалось неразрешенным вплоть до 60-х годов 20 века, пока не появилась новая, неравновесная термодинамика, которая опирается на концепцию 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 — Клаузиус, выдвинувший два постулата:

1.      энергия вселенной всегда постоянна.

2.      энтропия вселенной всегда возрастает.

Если принять второй постулат, то необходимо принять, 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 20 века было еще мало научных аргументов для опровержения Клаузиуса и обоснования альтернативного взгляда.

В отличие от закрытых, или изолированных, открытые системы обмениваются с окружающей средой энергией, веществом и информацией. Все реальные системы являются именно открытыми.

В открытых системах также производится энтропия, т.к. в них происходят необратимые процессы, но энтропия в этих системах не накапливается, как в закрытых системах, а выводится в окружающую среду. Так как энтропия характеризует степень беспорядка в системе, то можно сказать, что открытые системы живут за счет заимствования порядка из внешней среды.

Открытые системы и неравновесная термодинамика.

 Классическая термодинамика в своем анализе систем в значительной мере абстрагировалась от их реальной сложности, в частности, отвлекалась от их взаимодействия с внешней средой. Поэтому её исходное понятие закрытой, или изолированной, системы не отражала действительного положения вещей и приводила к противоречию с результатами исследований в биологии и социальных науках. Эволюционная теория Дарвина свидетельствовала, что живая природа развивается в направлении усовершенствования и усложнения новых видов растений и животных. История, социология и др. социальные и гуманитарные науки показывали, что в обществе, несмотря на отдельные зигзаги и движение вспять, в целом наблюдается также прогресс.

В противоположность этому классическая термодинамика утверждала, что физические и другие системы неживой природы эволюционируют в направлении усиления их беспорядка, разрушения. В таком случае непонятно, как из неживой природы, системы которой имеют тенденцию к дезорганизации, могла появиться когда либо живая природа, где системы, напротив, стремятся к совершенствованию и усложнению своей организации.

Опыт и практическая деятельность свидетельствовали, что понятия закрытой системы является далеко идущей абстракцией, и поэтому она очень упрощает и огрубляет действительность, так как в ней трудно или даже невозможно найти системы, которые бы не взаимодействовали с окружающей средой, состоящей так же из систем. Поэтому в новой термодинамике место закрытой системы заняло иное фундаментальное понятие открытой системы, которая способна обмениваться с окружающей средой веществом, энергией и информацией.

Одно из первых определений этого понятия принадлежит выдающемуся австрийскому физику Эрвину Шредингеру (1887-1961).

Средство, при помощи которого организм поддерживает себя постоянно на достаточно высоком уровне упорядоченности (равно на достаточно низком уровне энтропии), в действительности состоит в непрерывной извлечении упорядоченности из окружающей его среды.

Взаимодействуя со средой, открытая система не может оставаться замкнутой, т.к. вынужденно взаимодействует извне либо новое вещество, или свежую энергию и одновременно выводить в среду использованное вещество и отработанную энергию.

В ходе своей эволюции система постоянно обменивается энергией с окружающей средой, а следовательно производит энтропию. Но в отличие от закрытых систем эта энтропия, характеризующая степень беспорядка в системе, не накапливается в ней, а удаляется в окружающую среду. Это означает, что использованная, отработанная энергия рассеивается в окружающей среде и взамен её из среды извлекается новая, свежая энергия, способная производить полезную работу.

Такого рода материальные структуры, способные диссипиировать или рассеивать энергию, называются диссипативными. То есть становится ясно, что открытая система не может быть равновесной, потому что её функционирование требует непрерывного поступления из внешней среды энергии или вещества, богатого энергией. В результате такого взаимодействия система извлекает порядок из окружающей среды и тем самым вносит беспорядок в эту среду.

Переход от термодинамики (правильнее термостатики) равновесных состояний к термодинамике неравновесных процессов несомненно, знаменует прогресс в развитии ряда областей науки

Законы термодинамики:

• 1-й закон термодинамики: количество теплоты, полученное системой, идёт на изменение её внутренней энергии и совершение работы против внешних сил.

• 2-й закон термодинамики: для всех проходящих в замкнутой системе тепловых процессов энтропия системы возрастает

• 3-й закон термодинамики: Теорема Нернста: Энтропия любой системы при абсолютном нуле температуры всегда может быть принята равной нулю.