 |
Тема 2-04-03. Принцип возрастания энтропии
|
|
|
|
Первый закон термодинамики — закон сохранения энергии при ее превращениях из одной формы в другую: энергия, поступающая в систему при теплообмене, идет на увеличение внутренней энергии системы и на совершение ею работы против внешних сил.
Первый закон термодинамики говорит о невозможности вечного двигателя первого рода: невозможно создать устройство, которое работало бы вечно, не черпая энергии ниоткуда.
Изолированными называются системы, которые не обмениваются с окружающей средой ни веществом, ни энергией.
Термодинамическое равновесие - состояние, к которому самопроизвольно стремится любая изолированная система.
Признаки равновесного состояния:
- однородность
- отсутствие потоков вещества, энергии, заряда и т.п.
Второй закон термодинамики как принцип возрастания энтропии: в изолированной системе энтропия не убывает.
Энтропия - мера хаоса (беспорядка) в изолированной системе, принимающая только положительные значения. Под энтропией понимают уменьшение свободной энергии (за счет которой совершается полезная работа) и повышение той части внутренней энергии системы, которая является мерой степени ее неупорядоченности.
Согласно второму началу термодинамики в изолированной системе энтропия возрастает, т.е.:
- энергия передается от нагретого тела к холодному
- упорядоченные и сложные структуры разрушаются и переходят в более простые формы
- неоднородное распределение элементов сменяется однородным
- неравновесные структуры переходят к состоянию равновесия
- высококачественные формы энергии: механическая, электрическая переходят в низкокачественные: теплота
Второй закон термодинамики говорит о невозможности создания вечного двигателя второго рода, устройства, которое полностью преобразовывало бы поступающую энергию в виде тепла в полезную работу.
|
|
|
Тема 2-04-04. Закономерности самоорганизации. Принципы универсального эволюционизма.
В мире наблюдаются процессы прогрессивной эволюции на фоне всеобщего роста энтропии, но эти процессы возможны лишь в открытых системах.
Открытыми называются системы, которые обмениваются с окружающей средой и веществом, и энергией.
В открытой системе за счет притока энергии и вещества извне и за счет выброса наружу переработанного вещества и энергии вместе с наработанной энтропией поддерживается сложность и упорядоченность такой структуры вдали от состояния равновесия.
Синергетика — теория самоорганизации в природных и социальных системах как самопроизвольное возникновение упорядоченных неравновесных структур.
Самоорганизация – природный скачкообразный процесс, переводящий открытую неравновесную систему, достигшую в своем развитии критического состояния, в новое устойчивое состояние с более высоким уровнем сложности и упорядоченности по сравнению с исходным.
Примеры самоорганизации в простейших системах: лазерное излучение, ячейки Бенара, реакции Белоусова-Жаботинского, спиральные волны.
Необходимые условия самоорганизации: открытость, неравновесность и нелинейность системы.
Признак неравновесности системы: протекание потоков вещества, энергии, заряда и т.д.
Диссипация – рассеяние энергии в неравновесной системе.
Диссипативная структура — неравновесная упорядоченная структура, возникшая в результате самоорганизации.
Основные черты самоорганизации:
- пороговый характер (внезапность) явлений самоорганизации
- состояние крайней неустойчивости -точка бифуркации -как момент кризиса, потери устойчивости
- рост флуктуаций по мере приближения к точке бифуркации и стабилизация флуктуаций за точкой бифуркации (порядок из хаоса).
|
|
|
- синхронизация частей системы в процессе самоорганизации
- понижение энтропии системы и повышение энтропии окружающей среды при самоорганизации.
Универсальный эволюционизм как научная программа современности, его принципы:
- всё существует в развитии;
- развитие как чередование медленных количественных и быстрых качественных изменений (бифуркаций);
- законы природы как принципы отбора допустимых состояний из всех мыслимых;
- фундаментальная и неустранимая роль случайности и неопределенности;
- непредсказуемость пути выхода из точки бифуркации (прошлое влияет на будущее, но не определяет его);
- устойчивость и надежность природных систем как результат их постоянного обновления.
Панорама современного естествознания
Тема 05-01.Космология (мегамир)
Космология – наука о Вселенной в целом, ее строении, происхождении и эволюции.
Космологические представления Аристотеля: шарообразная неоднородная ограниченная Вселенная с Землей в центре.
Гелиоцентрическая система мира Коперника.
Ньютоновская космология: безграничная, бесконечная, однородная и неизменная Вселенная.
Общая теория относительности - теоретическая основа современной научной космологии: массивные тела искривляют вблизи себя пространство и замедляют течение времени.
Вселенная Эйнштейна: однородна, изотропна и равномерно заполнена материей, преимущественно в форме вещества.
Космологическая модель Фридмана: Вселенная в больших масштабах однородна, изотропна, но нестационарна.
Наблюдательное подтверждение нестационарности Вселенной: красное смещение в спектрах галактик, возникающее благодаря эффекту Доплера, при их удалении от наблюдателя (разбегание галактик)
Закон Хаббла: скорость разбегания галактик υ пропорциональна расстоянию до них r: υ=H·r
Н=75 (км/с)/Мпк - постоянная Хаббла.
Возраст Вселенной —время, прошедшее с момента начала расширения; современные оценки (13,7 млрд. лет).
Три фридмановских модели эволюции Вселенной:
- если средняя плотность ρср материи во Вселенной меньше или равна критической ρкр≈10-26кг/м3, то Вселенная будет расширяться вечно (1 и 2 модели)
|
|
|
- если средняя плотность ρср материи во Вселенной больше критической ρкр, то расширение Вселенной будет когда-нибудь остановлено за счет тяготения и она снова сожмется к начальному состоянию сингулярности (3 модель).
Сингулярность – точечный объем с бесконечно большой плотностью вещества; иногда так называют начальное сверхплотное состояние Вселенной.
Современная оценка средней плотности материи во Вселенной: она с высокой точностью равна критическому значению
Вклад основных видов материи в её среднюю плотность во Вселенной:
- обычное вещество (в основном, звёзды в галактиках) — менее 5%
- «тёмное вещество» (взаимодействует с обычным веществом только гравитационно, распределено в пространстве неоднородно)- около 25%
- «тёмная энергия» (строго однородна, создаёт всемирное отталкивание, заставляет Вселенную расширяться ускоренно) — более 70%.
|
|
|
