Чтение онлайн

на главную

Жанры

Концепции современного естествознания
Шрифт:

Тепловая теория Нернста отвечает на этот вопрос. В формулировке Планка она сводится к утверждению: энтропия всех тел в состоянии равновесия стремится к нулю по мере приближения температуры к нулю Кельвина:

limS =0.

Так как энтропия определяется с точностью до аддитивной постоянной S, то эту постоянную удобно взять равной нулю.

Тепловая теорема была сформулирована Нерстом в начале XX в. (Нобелевская премия по физике в 1920 г.). Она не вытекает из первых двух начал, поэтому в силу своей общности с полным правом может рассматриваться как новый закон природы – третье начало термодинамики.

Неравновесная термодинамика

Неравновесные системы характеризуются не только термодинамическими параметрами,

но и скоростью их изменения во времени и в пространстве, которая определяет потоки (процессы переноса) и термодинамические силы (градиент температуры, градиент концентрации и др.).

Появление потоков в системе нарушает статистическое равновесие. В любой физической системе всегда происходят процессы, старающиеся вернуть систему в состояние равновесия. Происходит как бы противоборство между процессами переноса, нарушающими равновесие, и внутренними процессами, старающимися его восстановить.

Процессы в неравновесных системах обладают следующими тремя свойствами:

1. Процессы, приводящие систему к термодинамическому равновесию (восстановление), происходят тогда, когда нет особых факторов, сохраняющих неравновесное состояние внутри самой системы. Если исходное состояние сильно неравновесно, а на фоне общего стремления системы к равновесию рождаются представляющие большой интерес подсистемы, в которых энтропия локально уменьшается, то возникают локальные подсистемы, где упорядоченность повышается. При этом общее возрастание для всей системы во много раз больше. В изолированной системе локальное уменьшение энтропии, конечно, является временным. В открытой же системе, через которую длительное время протекают мощные потоки, снижающие энтропию, могут возникнуть какие-то упорядоченные подсистемы. Они могут существовать, изменяясь и развиваясь, очень долго (пока не прекратятся питающие их потоки).

2. Рождение локальных состояний с низкой энтропией приводит к ускорению общего роста энтропии всей системы. Благодаря упорядоченным подсистемам вся система в целом движется быстрее ко все более неупорядоченным состояниям, к термодинамическому равновесию.

Наличие упорядоченной подсистемы может в миллионы и более раз ускорить выход всей системы из «благополучного» метастабильного состояния. В природе ничего «даром» не дается.

3. Упорядоченные состояния представляют собой диссипативные структуры, которые требуют для своего становления большого притока энергии. Такие системы реагируют на малые изменения внешних условий более чутко и более разнообразно, чем термодинамическое равновесное состояние. Они могут легко разрушаться или же превращаться в новые упорядоченные структуры.

Возникновение диссипативных структур носит пороговый характер. Неравновесная термодинамика связала пороговый характер с неустойчивостью. Новая структура всегда является результатом неустойчивости и возникает из флуктуации.

Выдающейся заслугой неравновесной термодинамики является установление того, что самоорганизация присуща не только «живым системам». Способность к самоорганизации является общим свойством всех открытых систем, у которых возможен обмен энергией с окружающей средой. При этом именно неравновесность служит источником упорядоченности.

Этот вывод является основным тезисом для круга идей группы И. Пригожина.

Совместимость второго начала термодинамики со способностью систем к самоорганизации – одно из крупнейших достижений современной неравновесной термодинамики.

Энтропия и вещество. Изменение энтропии в химических реакциях

При повышении температуры растет скорость различных видов движения частиц. Отсюда число микросостояний частиц, а соответственно и термодинамическая вероятность W, и энтропия вещества растут. При переходе вещества из твердого состояния в жидкое увеличивается неупорядоченность частиц и соответственно энтропия (Sплавл). Особенно резко растет неупорядоченность и соответственно энтропия при переходе вещества из жидкого состояния в газообразное (ASкипен). Энтропия увеличивается при превращении кристаллического вещества в аморфное. Чем выше твердость вещества, тем меньше его энтропия. Увеличение атомов в молекуле и усложнение молекул ведет к увеличению энтропии. Энтропия измеряется в Кал/моль·К (энтропийная единица) и в Дж/моль·К При расчетах применяют значения энтропии в так называемом стандартном состоянии, то есть при 298,15 К (25 °C). Тогда энтропию обозначают S298. Например, энтропия кислорода 03S298 = 238,8 ед. э., а 02S298 = 205 ед. э.

Абсолютные значения энтропии многих веществ являются табличными и приведены в справочниках. Например:

Н20(ж) = 70,8; Н20(г) = 188,7; СО(г) = 197,54;

СН4(r) = 186,19; Н2(г) = 130,58; НС1(г) = 186,69; НСl(р) = 56,5;

СН30Н(ж) = 126,8; Са(к) = 41,4; Са(ОН)2(к) = 83,4; С(алмаз) = 2,38;

С(графит) = 5,74 и т. д.

Примечание: ж – жидкость, г – газ, к – кристаллы; р – раствор.

Изменение энтропии системы в результате химической реакции (S) равно сумме энтропий продуктов реакции за вычетом энтропий исходных веществ. Например:

СН420(г) = С0 + 3Н2– здесь S298 = Sco.298 + 3SH2.298SH4.298SH2.298 =

197,54 = 3 · 130,58 – 188,19 – 188,7 = 214,39 Дж/моль · К.

В результате реакции энтропия возросла (AS > 0), возросло число молей газообразных веществ.

Информационная энтропия. Энтропия в биологии

Информационная энтропия служит мерой неопределенности сообщений. Сообщения описываются множеством величин x1, x2 xn, которые могут быть, например, словами: p1, p2…, pn. Информационную энтропию обозначают Sn или Hu. Для определенного дискретного статистического распределения вероятностей Pi используют следующее выражение:

при условии:

Значение Sn = 0, если какая-либо вероятность Pi = 1, а остальные вероятности появления других величин равны нулю. В этом случае информация достоверна, то есть неопределенность в информации отсутствует. Информационная энтропия принимает наибольшее значение, когда Pi равны между собой и неопределенность в информации максимальна.

Поделиться:
Популярные книги

Темный Патриарх Светлого Рода 6

Лисицин Евгений
6. Темный Патриарх Светлого Рода
Фантастика:
фэнтези
попаданцы
аниме
5.00
рейтинг книги
Темный Патриарх Светлого Рода 6

Полководец поневоле

Распопов Дмитрий Викторович
3. Фараон
Фантастика:
попаданцы
5.00
рейтинг книги
Полководец поневоле

"Колхоз: Назад в СССР". Компиляция. Книги 1-9

Барчук Павел
Колхоз!
Фантастика:
попаданцы
альтернативная история
5.00
рейтинг книги
Колхоз: Назад в СССР. Компиляция. Книги 1-9

Курсант: назад в СССР

Дамиров Рафаэль
1. Курсант
Фантастика:
попаданцы
альтернативная история
7.33
рейтинг книги
Курсант: назад в СССР

Измена. Ребёнок от бывшего мужа

Стар Дана
Любовные романы:
современные любовные романы
5.00
рейтинг книги
Измена. Ребёнок от бывшего мужа

Отмороженный 3.0

Гарцевич Евгений Александрович
3. Отмороженный
Фантастика:
боевая фантастика
рпг
5.00
рейтинг книги
Отмороженный 3.0

Мимик!

Северный Лис
1. Сбой Системы!
Фантастика:
боевая фантастика
5.40
рейтинг книги
Мимик!

Целитель. Книга вторая

Первухин Андрей Евгеньевич
2. Целитель
Фантастика:
фэнтези
попаданцы
5.00
рейтинг книги
Целитель. Книга вторая

(Бес) Предел

Юнина Наталья
Любовные романы:
современные любовные романы
6.75
рейтинг книги
(Бес) Предел

Гром над Империей. Часть 2

Машуков Тимур
6. Гром над миром
Фантастика:
фэнтези
попаданцы
5.25
рейтинг книги
Гром над Империей. Часть 2

Дикая фиалка Юга

Шах Ольга
Фантастика:
фэнтези
5.00
рейтинг книги
Дикая фиалка Юга

Физрук 2: назад в СССР

Гуров Валерий Александрович
2. Физрук
Фантастика:
попаданцы
альтернативная история
5.00
рейтинг книги
Физрук 2: назад в СССР

Возвращение

Жгулёв Пётр Николаевич
5. Real-Rpg
Фантастика:
боевая фантастика
рпг
альтернативная история
6.80
рейтинг книги
Возвращение

Релокант

Ascold Flow
1. Релокант в другой мир
Фантастика:
фэнтези
попаданцы
рпг
5.00
рейтинг книги
Релокант