ВОПРОС № 19 Энтропия

В словаре иностранных слов встречается следующее определение энтропии: энтропия [древнегреческое en в, внутрь +trope поворот, превращение] - 1) в физике - одна из величин, характеризующих тепловое состояние тела или системы тел; мера внутренней неупорядоченности системы; при всех процессах, происходящих в замкнутой системе, энтропия или возрастает (необратимые процессы) или остается постоянной (обратимые процессы); 2) в теории информации - мера неопределенности ситуации (случайной величины) с конечным или четным числом исходов, например, опыт, до проведения которого результат в точности неизвестен.

Понятие энтропии впервые было введено в науку Клаузиусом в 1865 г. как логическое развитие термодинамики Карно.

Но я характеризую это понятие как мера хаоса. По моему мнению, это самое оптимальная тема на данный момент потому, что она полностью связана с жизнью. Энтропия находится во всем. В природе, в человеке, в различных науках. Даже зарождение человека в утробе матери начинается с хаоса. Энтропию также можно связать с образованием планеты, так как до появления Бога на Земле все природные явления и все, что было на планете, находилось в высокой степени энтропии. Но по истечению семи дней, планета приобрела упорядоченный вид, то есть все встало на свои места.

Основываясь на моих выводах, я бы хотела подробнее разобрать это явление и так сказать снизить энтропии понимания этого явления.

Виды энтропии

Для начала, я бы хотела рассмотреть основные виды энтропии, для того чтобы, на основе этих видов разобрать примеры энтропии, которые напрямую связаны с нашей прошлой, настоящей и будущей жизнью.

Сегодня в литературе встречается, по меньшей мере, четыре формы энтропии:

Во-первых, энтропия как мера неопределенности состояния любой вполне упорядоченной физической системы, или поведения любой системы, включая, живые и неживые объекты и их функции. Именно эта форма энтропии, связанная с неопределенностью состояния системы, находит в последнее время наибольшее распространение при исследовании, как живых, так и неживых объектов и процессов.

Во-вторых, термодинамическая энтропия микрочастиц, или молекулярного (микроскопического) множества.

В-третьих, информационная энтропия, или неопределенность информации, т.е. сведений о некоторой информационной системе. Известно, что совпадение по виду формул для энтропии и информации послужило основанием для утверждения, что энтропия есть недостающая информация о состоянии системы. Было предложено использовать термин негэнтропия как тождественной связанной информации о состоянии системы. Негэнтропия не является отрицательной энтропией, или антиэнтропией, как иногда ошибочно считают некоторые ученые.

Разница масштабов энтропии и информации связана с их принципиальным различием, а именно: энтропия - это мера множества тех состояний системы, о пребывании в которых система должна забыть, а информация - это мера множества тех состояний, о пребывании в которых система должна помнить.

В-четвертых, энтропия, или неопределенность поведения, любой не вполне упорядоченной системы вплоть до макроскопических множеств.

Примеры энтропии

В первую очередь, я бы хотела рассмотреть самый простой пример, который касается всех нас. Это создание мира Богом. Как говорится в библии, Мир был как бездна, безводна, пуста и темна. Все в этом мире находилось в хаосе, то есть в увеличенной энтропии. В первый день своих деяний, Бог, как это нам уже известно, отделил свет от тьмы. И стал день, и стала ночь, и появились утро и вечер. Мера хаоса стала уменьшаться. На второй, разделил бездну на небо и землю. Все постепенно начало приходить на свои места. На третий день Бог отделил сушу от вод. И назвал он сушу землей, а собрание вод - морями, океанами, озерами и реками. И сказал Бог, чтобы из земли произрастали трава, деревья плодородные, в которых семя его на земле. И стало так. На четвертый Бог отделил дневное светило от ночного. И появились на небе луна и солнце. На пятый день появились рыбы и птицы. На шестой животные, земные гады и человек. По истечению семи дней энтропия перешла в 0. То энтропия из наибольшего состояния перешла в наименьшее.

Другим очевидным примером энтропии может являть информации и логическое мышление, которую поглощает человек. Логическое суждение человека не может осуществляться без подвода отрицательной энтропии. Чем человек меньше знает о каком-либо предмете, тем больше хаоса и неразберихи в его голове, но по мере того как информация нарастает и ее становится больше, тем больше человек начинает понимать и осознавать. И этот пример также приводит энтропию в нулевое состояние.

И еще одним наглядным примером можно рассмотреть питание человека. В каждом уголке страны люди различаются между собой национальностью, местом проживания и, конечно же, питанием. Если посмотреть средний уровень жизни людей в горах и на загрязненных улицах США, где всегда столпотворение людей и человеку нечем дышать, как только газами, то можно увидеть существенные отличия. Если в горах человек пьет чистую горную воду, в США воду, в которой достаточно бактерий, которые могут с лихвой заразить или даже убить человека, ну а в лучшем случае, неблагоприятно отразиться на здоровье человека. Также, если поставить рядом человека с гор и человека с США, то естественно найдутся очевидные отличия во внешности этих людей. Человек с гор намного моложе будет выглядеть и красивее.

Этот пример, также был показа известным ученым на крысах. Одни из которых, пили чистую ключевую воду, а другие пили алкоголь. И те, которые пили алкоголь, через некоторое время появились проблемы со здоровье. А те, которые пили чистую ключевую воду, были бодры, веселы, игривы и они никогда не подходили к алкоголю.

Еще один пример, связанный с энтропией уже из физики. Всем известно, что в жидкости частицы двигаются в хаотическом порядке, то есть точка энтропии на пределе. По мере того, как жидкое тело начинает замерзать, энтропия становится все меньше и меньше. Так как частицы начинают двигаться медленнее, и когда жидкость замерзает, энтропия равняется 0. Потому что между частицами образуются неразрывные связи.

По поводу энтропии примеры можно приводить и приводить, но я хочу ограничиться этими примерами.

Заключение

Физическая энтропия является мерой энергетической упорядоченности объекта и представляет собой функцию от числа их возможных состояний.

Любое повышение упорядоченности объектов ведет к снижению их совокупной энтропии, и наоборот.

Понимание физического смысла энтропии затруднено тем обстоятельством, что ее значение не может быть измерено никаким прибором, но зато вычисляется. Утверждение о существовании энтропии обычно относят ко второму закону термодинамики. Более чем 100-летний опыт использования понятия энтропии в термодинамике подтверждает правильность представления о ней как о физической величине, изменение которой (в равновесных процессах) однозначно связано с наличием обмена энергией в форме теплоты.

Известно, что абсолютное значение энтропии различных веществ, при различных температурах, можно определить на основе третьего закона термодинамики. Этот закон устанавливает также начало отсчета энтропии и тем самым позволяет вычислить абсолютное значение энтропии.

Таким образом, оказалось, что понятие энтропии является одним из фундаментальных свойств любых систем с вероятностным поведением. В теории информации энтропия как мера неопределенности исхода эксперимента была введена американским ученым К. Шенноном в 1949 г.

Понятие обобщенной энтропии представляет такие наиболее общие свойства действительности, как неупорядоченность и упорядоченность, неопределенность и определенность, хаос и порядок.

Всякое явление двойственно, и оно одновременно содержит в себе некоторую хаотическую, броуновскую составляющую и упорядоченную составляющую, как составляющую хаоса, так и порядка.

ВОПРОС № 20 Второе начало термодинамики.

Первое начало термодинамики, выражая закон cохранения и превращения энергии, не позволяет уcтановить направление протекания термодинамических процеccов. Кроме того, существует множество процессов, не противоречащих первому началу, в которых энергия сохраняется, а в природе они не осуществляются. Появление второго начала термодинамики прежде всего связано с необходимостью дать ответ на вопрос, какие процессы в природе возможны, а какие нет. Второе начало термодинамики задает направление протекания термодинамических процессов. Используя понятие энтропии и связанное с ним неравенство Клаузиуса, второе начало термодинамики можно сформулировать как закон возрастания энтропии замкнутой системы при необратимых процессах: любой необратимый процесс в замкнутой системе происходит так, что энтропия системы при этом возрастает. Можно дать более короткую формулировку второго начала термодинамики: в процессах, происходящих в замкнутой системе, энтропия не убывает. Существенен момент, что речь идет о замкнутых системах, так как в незамкнутых системах энтропия может вести себя произвольным образом (возрастать, убывать, оставаться постоянной). Кроме того, повторим еще раз, что энтропия остается постоянной в замкнутой системе только при обратимых процессах. При необратимых процессах и в замкнутой системе энтропия всегда возрастает. Формула Больцмана S=k•lnW дает объяснение постулируемое вторым началом термодинамики возрастанию энтропии в замкнутой системе при необратимых процессах: возрастание энтропии означает переход системы из менее вероятных в более вероятные состояния. Значит, формула Больцмана дает статистическое толкование второго начала термодинамики. Являясь статистическим законом, оно описывает закономерности хаотического движения огромного числа частиц, которые составляющих замкнутую систему. Дадим еще две формулировки второго начала термодинамики: 1) по Кельвину: невозможен круговой процесс, единственным результатом которого является превращение теплоты, полученной от нагревателя, в эквивалентную ей работу; 2) по Клаузиусу: невозможен круговой процесс, единственным результатом которо¬го является передача теплоты от менее нагретого тела к более нагретому. Можно довольно просто доказать эквивалентность формулировок Кельвина и Клаузиуса. Более того, показано, что если в замкнутой системе провести воображаемый процесс, который противоречит второму началу термодинамики в формулировке Клаузиуса, то он сопровождается уменьшением энтропии. Это же доказывает эквивалентность формулировки Клаузиуса (а значит, и Кельвина) и статистической формулировки, по которой энтропия замкнутой системы не может убывать. В середине XIX в. возникла проблема так называемой тепловой смерти Вселенной. Рассматривая Вселенную как замкнутую систему и применяя к ней второе качало термодинамики, Клаузиус пришел к утверждению, что энтропия Вселенной когда-нибудь достигнет своего максимума. Это означает, что все формы движения со временем должны перейти в тепловую. При этом переход теплоты от горячих тел к холодным приведет к тому, что температура всех тел во Вселенной станет одинаковой, т. е. наступит полное тепловое равновесие и все процессы во Вселенной остановятся — наступит тепловая смерть Вселенной. Неправильность вывода о тепловой смерти заключается в том, что не имеет смысла применять второе начало термодинамики к незамкнутым системам, например к такой бесконечно развивающейся и безграничной системе, как Вселенная. Первые два начала термодинамики дают мало сведений о поведении термодинамических систем при нуле Кельвина. Они дополняются третьим началом термодинамики, или теоремой Нернста—Планка: энтропия всех тел в состоянии равновесия стремится к нулю по мере приближения температуры к нулю Кельвина: Так как энтропия задается с точностью до аддитивной постоянной, то эту постоянную для простоты возьмем равной нулю. При этом отметим, что это произвольное допущение, т.к. энтропия по своей сущности всегда задается с точностью до аддитивной постоянной. Из теоремы Нернста — Планка следует, что теплоемкости С_р и С_V при 0 К равны нулю.

ВОПРОС № 21 Космологические концепции современного естествознания. Модели Вселенной Реликтовое излучение

Строение и эволюция Вселенной изучаются космологией. Космология – один из тех разделов естествознания, которые по своему существу всегда находятся на стыке наук. Космология – это междисциплинарная наука, она использует достижения и методы физики, математики, философии. Предмет космологии – весь окружающий нас мегамир, вся «большая Вселенная», ее задача состоит в описании наиболее общих свойств, строения и эволюции Вселенной. Ясно, что выводы космологии имеют большое мировоззренческое значение.

Современная астрономия не только открыла грандиозный мир галактик, но и обнаружила уникальные явления: расширение Метагалактики, космическую распространенность химических элементов, реликтовое излучение, свидетельствующие о том, что Вселенная непрерывно развивается.

С эволюцией структуры Вселенной связано возникновение скоплений галактик, обособление и формирование звезд и галактик, образование планет и их спутников. Сама Вселенная возникла примерно 20 млрд. лет тому назад из некоего плотного и горячего протовещества. Сегодня можно только предполагать, каким было это прародительское вещество Вселенной, как оно образовалось, каким законам подчинялось, и что за процессы привели его к расширению. Существует точка зрения, что с самого начала протовещество с гигантской скоростью начало расширяться. На начальной стадии это плотное вещество разлеталось, разбегалось во всех направлениях и представляло собой однородную бурлящую смесь неустойчивых, постоянно распадающихся при столкновениях частиц. Остывая, и взаимодействуя на протяжении миллионов лет, вся эта масса рассеянного в пространстве вещества, концентрировалась в большие и малые газовые образования, которые в течение сотен миллионов лет, сближаясь и сливаясь, превращались в громадные комплексы. В них в свою очередь возникали более плотные участки – там впоследствии и образовались звезды и даже целые галактики. Предположительно, в результате гравитационной нестабильности в разных зонах образовавшихся галактик смогли сформироваться плотные «протозвездные образования» с массами, близкими к массе Солнца. Начавшийся процесс сжатия ускорился под влиянием собственного поля тяготения. Процесс этот сопровождается свободным падением частиц облака к его центру – происходит гравитационное сжатие. В центре облака образуется уплотнение, состоящее из молекулярного водорода и гелия. Возрастание плотности и температуры в центре приводит к распаду молекул на атомы, ионизации атомов и образованию плотного ядра протозвезды.

Существует гипотеза о цикличности состояния Вселенной. Возникнув когда-то из сверхплотного сгустка материи, Вселенная, возможно, уже в первом цикле породила внутри себя миллиарды звездных систем и планет. Но затем неизбежно Вселенная начинает стремиться к тому состоянию, с которого началась история цикла, красное смещение сменяется фиолетовым, радиус Вселенной постепенно уменьшается и, в конце концов, вещество Вселенной возвращается в первоначальное сверхплотное состояние, по пути к нему, безжалостно уничтожив всяческую жизнь. И так повторяется каждый раз, в каждом цикле на протяжении вечности!

Космология (космогония) – область науки, изучающая происхождение и развитие вселенной.

1. Геоцентризм.

Космология Аристотеля — геоцентрическая система мира: Земля, имеющая форму шара, неподвижно пребывает в центре Вселенной.

2. Гелиоцентризм.

Николай Коперник (первая научная революция) стал автором гелиоцентрического учения, согласно которому центром Вселенной является Солнце, вокруг которого по своим орбитам движутся планеты, в том числе и Земля. Совершая обращение вокруг Солнца, Земля одновременно вращается и вокруг собственной оси, чем и объясняется смена дня и ночи.

3. Теория стационарного состояния Вселенной.

Основные постулаты:

• Вселенная — это все существующее, «мир в целом». Космология познает мир таким, каким он существует сам по себе, безотносительно к условиям познания.

• Пространство и время Вселенной абсолютны, они не зависят от материальных объектов и процессов.

• Пространство и время метрически бесконечны.

• Пространство и время однородны и изотропны.

• Вселенная стационарна, не претерпевает эволюции. Изменяться могут конкретные космические системы, но не мир в целом.

4. Релятивистская модель Вселенной.

Новая модель Вселенной была создана в 1917 г. А. Эйнштейном. Ее основу составила релятивистская теория тяготения — общая теория относительности. Эйнштейн отказался от постулатов абсолютности и бесконечности пространства и времени, однако сохранил принцип стационарности, неизменности Вселенной во времени и ее конечности в пространстве. Свойства Вселенной, по мнению Эйнштейна, определяются распределением в ней гравитационных масс, Вселенная безгранична, но при этом замкнута в пространстве. Согласно этой модели, пространство однородно и изотропно, т.е. во всех направлениях имеет одинаковые свойства, материя распределена в нем равномерно, время бесконечно, а его течение не влияет на свойства Вселенной. На основании проведенных расчетов Эйнштейн сделал вывод, что мировое пространство представляет собой четырехмерную сферу.

При этом не следует представлять себе данную модель Вселенной в виде обычной сферы. Сферическое пространство есть сфера, но сфера четырехмерная, не поддающаяся наглядному представлению. По аналогии можно сделать вывод, что объем такого пространства конечен, как конечна поверхность любого шара, ее можно выразить конечным числом квадратных сантиметров. Поверхность всякой четырехмерной сферы также выражается конечным числом кубометров. Такое сферическое пространство не имеет границ, и в этом смысле оно безгранично. Летя в таком пространстве в одном направлении, мы в конце концов вернемся в исходную точку. Но в то же время муха, ползущая по поверхности шара, нигде не найдет границ и преград, запрещающих ей двигаться в любом избранном направлении. В этом смысле поверхность любого шара безгранична, хотя и конечна, т.е. безграничность и бесконечность — это разные понятия.

Итак, из расчетов Эйнштейна следовало, что наш мир является четырехмерной сферой. Объем такой Вселенной может быть выражен хотя и очень большим, но все же конечным числом кубометров. В принципе можно облететь всю замкнутую Вселенную, двигаясь все время в одном направлении. Такое воображаемое путешествие подобно земным кругосветным путешествиям. Но конечная по объему Вселенная в то же время безгранична, как не имеет границ поверхность любой сферы. Вселенная Эйнштейна содержит хотя и большое, но все же конечное число звезд и звездных систем, а поэтому к ней неприменимы фотометрический и гравитационный парадоксы. В то же время призрак тепловой смерти тяготеет и над Вселенной Эйнштейна. Такая Вселенная, конечная в пространстве, неизбежно идет к своему концу во времени. Вечность ей не присуща.

Таким образом, несмотря на новизну и даже революционность идей, Эйнштейн в своей космологической теории ориентировался на привычную классическую мировоззренческую установку статичности мира. Его более привлекал гармоничный и устойчивый мир, нежели мир противоречивый и неустойчивый.