Закон сохранения энергии
Формулировки закона сохранения и превращения энергии:
– энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает,
количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую;
– при любых процессах, происходящих в замкнутой системе, ее
полная энергия не изменяется.
Наиболее важные положения, на которых строится закон
сохранения энергии в макроскопических процессах:
1. Энергия – единая
мера различных форм движения материи. Механическая энергия и тепловая энергия –
только две из многих форм энергии. Все, что может быть превращено в какую-либо
из этих форм, тоже форма энергии.
2. Возможны два
качественно различных способа передачи энергии от одного макроскопического тела
к другому – в форме работы и в форме теплоты (путем теплообмена).
Макроскопическое тело рассматривается при этом как огромная совокупность
микрочастиц. При взаимодействии незначительного числа отдельных микрочастиц эти
понятия неприменимы.
3. Изменение энергии
тела, осуществленное первым способом, называют работой, совершаемой над этим
телом. Передача энергии в форме работы производится в процессе силового
взаимодействия тел. Работа, совершаемая над телом, может пойти на увеличение любого
вида энергии. Понятие работы связано с упорядоченным движением.
4. Передача энергии
путем теплообмена между телами обусловлена различием температур этих тел.
Энергия, получаемая телом в форме теплоты, может непосредственно пойти только
на увеличение его внутренней энергии. Понятие теплоты связано с
неупорядоченным, хаотическим движением.
Таким образом, неупорядоченную форму энергии невозможно
полностью перевести в упорядоченную. Мерой неупорядоченности, мерой хаоса в
термодинамике является энтропия. Энтропия не бывает отрицательной, она всегда
положительна, за исключением случая, когда идеальный кристалл находится при
абсолютном нуле температуры. Но на этот счет есть третье начало термодинамики,
говорящее о недостижимости абсолютного нуля.
Принцип возрастания энтропии
Если система замкнута и невозможны никакие ее
самопроизвольные превращения, то энтропия достигает максимума. Состояние с
наибольшей энтропией соответствует статическому равновесию. Энтропия является
мерой вероятности осуществления данного термодинамического состояния или мерой
отклонения системы от статического равновесия.
Второй закон термодинамики можно сформулировать как закон,
согласно которому энтропия изолированной системы (то есть системы, не
обменивающейся энергией с окружающей средой) будет увеличиваться при
необратимых процессах или оставаться постоянной, если процессы обратимы. Это
положение касается только изолированных систем.
Таким образом, в соответствии со вторым началом
термодинамики, в случае изолированной системы неупорядоченное состояние не
может самостоятельно перейти в упорядоченное. При нагревании тела энтропия
увеличивается, растет степень неупорядоченности. В изолированной системе
энтропия может только расти.
Принцип возрастания энтропии – важнейший принцип
термодинамики. Он соответствует стремлению любой системы к состоянию
термодинамического равновесия, которое можно отождествить с хаосом. Раз все
виды энергии деградируют, превращаясь в тепло, то когда-нибудь закончат свое
существование звезды, отдав свою энергию в окружающее пространство, и Вселенная
придет в самое простое состояние хаоса – термодинамического равновесия с
температурой лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля. Не будет
источников энергии – не будет жизни, не будет ничего.
Гипотеза "тепловой смерти" не согласуется с
наблюдениями над Вселенной в ее современном состоянии, а также с выводами,
которые можно сделать из известного нам прошлого.
Наблюдается непрерывный рост разнообразия, эволюция в направлении возникновения более сложных форм.
Основные
причины формирования звезд, галактик, планет – флуктуации плотности материи и
гравитационное взаимодействие. В этой связи многие физики-теоретики считают,
что в соответствии с общей теорией относительности Вселенная должна
рассматриваться "не как замкнутая система, а как система, находящаяся в
переменном гравитационном поле; в связи с этим применение закона возрастания
энтропии не приводит к выводу о необходимости статического равновесия".
Трудности термодинамического характера до сих пор не решены
и в вопросе происхождения жизни. Существует точка зрения, что второй закон
термодинамики не применим к живым системам, так как они не являются замкнутыми
системами.
Живые системы – это открытые системы.
Энтропия живых молекул весьма
низка и имеет тенденцию к понижению. Этот факт сегодня является общепризнанным.
Асимметрия жизни не есть состояние нарушения равновесия,
отсутствия структурности или беспорядка, а есть состояние динамического
равновесия и упорядоченности, более сложной структурности и более высокого
энергетического уровня.
В природе все время возникают структуры, в которых энтропия
не только не растет, но и локально уменьшается. Этим свойством обладают многие
открытые системы, в том числе и живые, где за счет притока извне вещества и
энергии возникают так называемые квазистационарные (стабильные) состояния.
Существует
теорема о минимуме воспроизводства энтропии, которая утверждает, что
производство энтропии системой, находящейся в стационарном состоянии,
достаточно близком к равновесному состоянию, минимально. Этот принцип можно
рассматривать в качестве универсального. В живом веществе он проявляется не как
закон, а как тенденция.
В живой природе противоречие между тенденцией к
локальной стабильности и стремлением в максимальной степени использовать внешнюю
энергию и материю является одним из важнейших факторов создания новых форм
организации материального мира.
Использованная литература: Лекции. Концепция современного естествознания. "Закон сохранения энергии в макроскопических процессах", "Типы симметрий", "Симметрия в живой природе".