Первое и второе начало термодинамики

Примечание:

Рассмотрим систему из двух контактирующих тел с разными температурами. Тепло пойдет от тела с большей температурой к телу с меньшей, до тех пор, пока температуры обоих тел не выровняются. При этом от одного тела к другому будет передано оперделенное количество тепла Q. Но энтропия при этом у первого тела уменьшится на меньшую величину, чем она увеличится у вторго тела, которой принимает теплоту, так как по определению, S=Q/T (температура в знаменателе!). То есть, в результате этого самопроизвольного процесса энтропия системы из двух тел станет больше суммы энтропий этих тел до начала процесса. Иначе говоря, самопроизвольный процесс передачи тепла от тела с высокой температурой к телу с более низкой температурой привел к тому, что энтропия системы из этих двух тел увеличилась!

Заметим, что рассматривая эту систему из двух тел, подразумевалось, что внешнего теплопритока или теплооттока из нее нет – то есть считали ее изолированной. Отсюда еще одна формулировка второго закона термодинамики: энтропия изолированной системы стремится к максимуму – так как самопроизвольные процессы передачи тепла всегда будут происходить, пока есть перепады температур.

А что будет, если эта же система из двух тел будет неизолирована, и, допустим, в нее поступает тепло? Ее энтропия будет увеличиваться еще больше, так как при получении телом тепла энтропия его увеличивается (S=Q/T).

Но для простоты формулировки этот момент обычно не упоминают и поэтому формулируют второй закон термодинамики именно для изолированных систем. Хотя, как видно, он действует точно также и для открытых систем в случае поступления в них тепла.

Эволюционисты же уперлись в общепринятую формулировку второго закона термодинамики для изолированных систем, утверждая, что если система открыта, то второй закон термодинамики не действует! А истина проста: для открытой системы с подведением тепла энтропия растет даже быстрее, чем для изолированной!

5. Понятие хаоса

В 1865 году Клаузиус впервые ввел понятие энтропии. Максимальная энтропия означает полное термодинамическое равновесие, что эквивалентно хаосу.

Общий вывод достаточно печален: необратимая направленность процессов преобразования энергии в изолированных системах рано или поздно приведет к превращению всех ее видов в тепловую энергию, которая рассеется, то есть в среднем равномерно распределится между всеми элементами системы, что и будет означать термодинамическое равновесие и хаос. Если Вселенная замкнута, то ее ждет именно такая незавидная участь. Из хаоса, как утверждали греки, она родилась, в хаос же, по предположению классической термодинамики, и возвратится.

Возникает, правда, любопытный вопрос: если Вселенная эволюционирует только к хаосу, то как она могла возникнуть и сорганизоваться до нынешнего упорядоченного состояния. Но этим вопросом классическая термодинамика не задавалась, ибо формировалась в эпоху, когда нестационарный характер Вселенной не обсуждался. В это время единственным укором термодинамике служила дарвиновская теория эволюции. Ведь предполагаемый ею процесс развития растительного и животного мира характеризовался его непрерывным усложнением, нарастанием высоты организации и порядка. Живая природа почему-то стремилась прочь от термодинамического равновесия и хаоса. Налицо была явная нестыковка законов развития живой и неживой природы.

После замены модели стационарной вселенной на развивающуюся, в которой ясно просматривалось нарастающее усложнение организации материальных объектов – от элементарных и субэлементарных частиц в первые мгновения после Большого взрыва до звездных и галактических систем, - несоответствие законов стало еще более явным. Ведь если принцип возрастания энтропии столь универсален, как же могли возникнуть такие сложные структуры? Случайным «возмущением» в целом равновесной Вселенной их не объяснить. Стало ясно, что для сохранения непротиворечивости общей картины мира необходимо постулировать наличие у материи в целом не только разрушительной, но и созидательной тенденции. Материя способна осуществлять работу и против термодинамического равновесия, самоорганизовываться и самоусложняться.

Для сложных систем всегда существует несколько возможных путей эволюции.

Развитие осуществляется через случайный выбор одной из нескольких разрешенных возможностей дальнейшей эволюции. Следовательно, случайность – не досадное недоразумение; она встроена в механизм эволюции. А нынешний путь эволюции системы, возможно, не лучше, чем те, которые были отвергнуты случайным выбором.

Старение – уступка энтропии?

Изредка встречаются люди, к которым неприменимы обычные законы и правила – они могут обходиться без сна, не заражаются опасными инфекциями во время самых страшных эпидемий. Однако нет человека, который неподвластен старению. Все живое стареет, разрушается и погибает. И даже неживая природа: здания, камни, мосты и дороги – тоже постепенно ветшают и приходят в негодность. Очевидно, что старение – это некий обязательный процесс, общий для живой и неживой природы.

Немецкий физик Р. Клаузис в 1865 году впервые пролил свет на глубинные причины этого явления. Он постулировал, что в природе все процессы протекают асимметрично, однонаправленно. Разрушение происходит само собой, а созидание требует затраты энергии. За счет этого в мире постоянно происходит нарастание энтропии – обесценивание энергии и увеличение хаоса. Этот фундаментальный закон естествознания называется также вторым началом термодинамики. Согласно ему, для созидания и существования любой структуры необходим приток энергии извне, поскольку сама по себе энергия имеет тенденцию рассеиваться в пространстве (этот процесс более вероятен, чем создание упорядоченных структур). Живые организмы относятся к открытым термодинамическим системам: растения поглощают солнечную энергию и преобразуют ее в органические и неорганические соединения, животные разлагают эти соединения и таким образом обеспечивают себя энергией. При этом живые существа находятся в термодинамическом равновесии с окружающей средой, постепенно отдают или рассеивают энергию, поставляя энтропию в мировое пространство.

Оказалось, однако, что существование живых организмов не полностью исчерпывается вторым началом термодинамики. Закономерности их развития объясняет третий закон термодинамики, обоснованный выдающимся бельгийским ученым И. Пригожиным, выходцем из России: избыток свободной энергии, поглощенный открытой системой, может приводить к самоусложнению системы. Существует определенный уровень сложности, находясь ниже которого система не может воспроизводить себе подобных.

Живые организмы в каком-то смысле противостоят нарастанию энтропии и хаоса во Вселенной, образуя все более сложные структуры и накапливая информацию. Этот процесс противоположен процессу старения. Такая борьба с энтропией возможна, по-видимому, благодаря существованию неустаревающей генетической программы, которая многократно переписывается и передается следующим поколениям. Живой организм можно сравнить с книгой, которая постоянно переиздается. Бумага, на которой написана книга, может износиться и истлеть, но содержание ее вечно.

Утверждение того, что все живое подвержено старению не совсем точно: есть ситуации, к которым это правило неприменимо. Например, что происходит, когда живая клетка или бактерия в процессе размножения делится пополам? Она дает начало двум другим клеткам, которые в свою очередь снова делятся, и так до бесконечности. Клетка, давшая начало всем остальным, не успела состариться, фактически она осталась бессмертной. Вопрос о старении у одноклеточных организмов и непрерывно делящихся организмов, например половых или опухолевых, остается открытым. А. Вейсман в конце XIX века создал теорию, которая постулировала бессмертие бактерий и отсутствие у них старения. Многие ученые согласны с ней и сегодня, другие же подвергают ее сомнению. Доказательств хватает у тех и других.

А как обстоит дело с многоклеточными организмами? Ведь у них большая часть клеток не может постоянно делиться, они должны выполнять какие-то другие задачи – обеспечивать движение, питание, регуляцию внутренних процессов. Это противоречие между необходимостью специализации клеток и сохранением их бессмертия природа разрешила путем разделения клеток на два типа. Соматические клетки поддерживают жизненные процессы в организме, а половые клетки делятся, обеспечивая продолжение рода. Соматические клетки стареют и умирают, половые же практически вечны. Существование огромных и сложных многоклеточных организмов, содержащих триллионы соматических клеток, в сущности направлено к тому, чтобы обеспечить бессмертие половых клеток.

Как же происходит старение у соматических клеток? Американский исследователь Л. Хейфлик установил, что существуют механизмы, ограничивающие число делений: в среднем каждая соматическая клетка способна не более чем на 50 делений, а затем стареет и погибает. Постепенное старение целого организма обусловлено тем, что все его соматические клетки исчерпали отпущенное на их долю число делений. После этого клетки стареют, разрушаются и погибают.

Если соматические клетки нарушают этот закон, они делятся непрерывно, многократно воспроизводя свои новые копии. Ни к чему хорошему это не приводит – ведь именно так появляется в организме опухоль. Клетки становятся “бессмертными”, но это мнимое бессмертие в конечном счете покупается ценой гибели всего организма.

 

 

6. Заключение

   Необратимость времени тесно связана с неустойчивостями в открытых системах. Одно время - динамическое, позволяющее задать описание движения точки в классической механике или изменение волновой функции в квантовой механике. Другое время - новое внутренние время, которое существует только для неустойчивых динамических систем. Оно характеризует состояние системы, связанное с энтропией.

   Процессы биологического  или общественного развития не  имеют конечного состояния. Эти  процессы неограниченны. Здесь, с одной стороны, как мы видели, нет какого-либо противоречия со вторым началом термодинамики , а с другой стороны - четко виден поступательный характер развития (прогресса) в открытой системе. Развитие связано, вообще говоря, с углублением неравновесности, а значит, в принципе с усовершенствованием структуры. Однако с усложнением структуры возрастает число и глубина неустойчивостей, вероятность бифуркации.

   Успехи решения  многих задач позволили выделить  в них общие закономерности, ввести  новые понятия и на этой  основе сформулировать новую  систему взглядов - синергетику. Она  изучает вопросы самоорганизации  и поэтому должна давать картину  развития и принципы самоорганизации  сложных систем, чтобы применять  их в управлении. Эта задача  имеет огромное значение, и, по  нашему мнению, успехи в ее  исследовании будут означать  продвижение в решении глобальных  задач: проблемы управляемого термоядерного  синтеза, экологических проблем, задач  управления и других.

   Мы понимаем, что  все приведенные в работе примеры  относятся к модельным задачам, и многим профессионалам, работающим  в соответствующих областях науки, они могут показаться слишком  простыми. В одном они правы: использование  идей и представлений синергетики  не должно подменять глубокого  анализа конкретной ситуации. Выяснить, каким может быть путь от  модельных задач и общих принципов  к реальной проблеме - дело специалистов. Кратко можно сказать так: если  в изучаемой системе можно  выделить один самый важный  процесс (или небольшое их число), то проанализировать его поможет  синергетика. Она указывает направление, в котором нужно двигаться. И, по-видимому, это уже много.

   Исследование большинства  реальных нелинейных задач было  невозможно без вычислительного  эксперимента, без построения приближенных  и качественных моделей изучаемых  процессов (синергетика играет важную  роль в их создании). Оба подхода  дополняют друг друга. Эффективность  применения одного зачастую определяется  успешным использованием другого. Поэтому будущее синергетики  тесно связано с развитием  и широким использованием вычислительного  эксперимента.

   Изученные в последние  годы простейшие нелинейные среды  обладают сложными и интересными  свойствами. Структуры в таких  средах могут развиваться независимо  и быть локализованы, могут размножаться  и взаимодействовать. Эти модели  могут оказаться полезными при  изучении широкого круга явлений.

   Известно, что имеется  некоторая разобщенность естественно  научной и гуманитарной культур. Сближение, а в дальнейшем, возможно, гармоническое взаимообогащение  этих культур может быть осуществлено  на фундаменте нового диалога  с природой на языке термодинамики  открытых систем и синергетики.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. Список использованной литературы

 

Виленчик М.М. Биологические основы старения и долголетия.- М., "Знание", 1987.

Герасимов Я. И. и др. Курс физической химии, т. 1, 2. «Химия», М. Л., 1973, 1970.

Гладышев Г.П. Термодинамика старения.- "Известия Академии наук. Серия биологическая" №5, 1998.

Кириллин В.А. и др. Техническая термодинамика: Учебник для вузов.- 4-е изд., перераб.- М.: Энергоатомиздат, 1983.

Поршаков Б.П., Романов Б.А. Основы термодинамики и теплотехники.- М.: Недра, 1988.

Теплоэнергетика и теплотехника. Общие вопросы (справочник).- М.: Энергия, 1980.

Федосеев П.Н. Философия и научное познание.- М., 1983.