Термодинамика необратимых процессов и проблем экологии (стр. 3 из 4)

3. Процесс диффузии необратим. Действительно, если в сосуде с двумя различными газами, разделенными перегородкой, снять перегородку, то каждый газ будет диффундировать в другой.

Для разделения газов каждый из них нужно сжимать. Чтобы они не нагревались, необходимо отнять у них теплоту и превратить ее в работу, что невозможно без изменения в окружающих телах.

7. О тепловой смерти мира

Постепенно все горячие тела будут отдавать энергию более холодным. Энтропия будет возрастать. Наконец, все температуры уравниваются. Энтропия достигнет максимума, что будет соответствовать полному хаосу. В мире останется только энергия беспорядочного движения молекул.

Никакое упорядоченное механическое движение тогда не может быть получено. Все процессы прекратятся. Наступит тепловая смерть мира. Эта проблема серьезно волновала ученых в конце XIX в.

Однако, во-первых, всю вселенную нельзя считать замкнутой системой, а наши рассуждения относятся только к таким системам. Во-вторых, уже говорилось о том, что переход от полного беспорядка к порядку очень маловероятен.

Поэтому применяется второе начало термодинамики ко всей Вселенной и необозримо большим промежуткам времени не следует.

8. Термодинамическая шкала температур. Третье начало термодинамики. Недостижимость абсолютного нуля

Второе начало термодинамики можно использовать для построения термодинамической шкалы температур. Так как КПД цикла Карно не зависит от рабочего тела, то можно вообразить такую процедуру.

Некоторое стандартное тело в определенном состоянии (например, вода, кипящая при атмосферном давлении) выбирается в качестве нагревателя. Другое стандартное тело (например, лед, тающий при атмосферном давлении) выбирается в качестве холодильника. Разность температур Т_ни Г_х (сами температуры пока неизвестны) делится на произвольное число частей, чем устанавливается размер градуса (скажем, на сто частей). Осуществляется обратимый цикл Карно с каким-либо веществом. Измеряется количество теплоты Q₁, заимствованной от нагревателя, и количество теплоты Q₂, отданной холодильнику:

(15)

Имея, кроме того, условие:

T_H-T_X=100°С,

получаем два уравнения, определяющие T_н и Т_х. Если теперь взять некое вещество при неизвестной температуре Т и использовать его в качестве нагревателя при прежнем холодильнике (температура T_х), то, проводя цикл Карно и измеряя Q₁^’и Q₂^’, можно написать:

Отсюда находится искомая температура Т.

Построенная таким образом шкала температур, как выяснилось, совпадает со шкалой, получаемой при измерениях с газовым термометром.

Из уравнения (15) следует, что нулем температуры является температура, при которой количество теплоты Q₂равно нулю.

В этом случае КПД цикла Карно должен равняться единице. Так как большим он стать не может (по первому началу), то эта температура наинизшая. Термодинамическая шкала совпадает со шкалой газового термометра, значит, совпадают и их нулевые точки. Напомним, что абсолютным нулем является температура t= - 273,15 °С. Согласно второму началу невозможно получить КПД тепловой машины, равный единице, поэтому можно дать еще одну формулировку второго начала, подчеркивающую это обстоятельство: абсолютный нуль температуры принципиально недостижим, хотя к нему можно приблизиться сколь угодно близко. В настоящее время уже получена температура, составляющая всего 10^-6 К.

Так как энергия беспорядочного движения частиц газа пропорциональна температуре, то следует ожидать, что при абсолютном нуле беспорядочное движение должно прекратиться - частицы будут располагаться наиболее упорядоченным образом (но, конечно, будут иметь место внутримолекулярные или внутриатомные движения). Этой наибольшей упорядоченности расположения частиц должна отвечать наименьшая энтропия.

В. Нернст (1864 - 1941), основываясь на ряде физико-химических наблюдений, высказал положение, часто называемое третьим началом термодинамики: энтропия любой макросистемы при стремлении ее температуры к абсолютному нулю стремится к одному и тому же для всех систем постоянному значению, которое можно принять равным нулю.

В заключение отмечу, что область приложения термодинамики не ограничивается только тепловыми процессами. Изменения внутренней энергии за счет химических процессов, процессов горения, внутриатомных превращений и многих других (включая и процессы, происходящие в живых организмах) также успешно исследуются термодинамикой. Однако сложность подобных исследований не позволяет изучать их в общем курсе физики.

9. Необходимые и достаточные условия существования систем

Рождение жизни на Земле, ее развитие и существование, антропогенная деятельность находятся в строгом соответствии со вторым началом термодинамики - законом возрастания энтропии. Этот закон показывает, как и каким образом происходит неизбежное ухудшение качества окружающей среды для достижения главной цели - обеспечения существования жизни на планете и устойчивого развития.

Для эволюции упорядоченных систем и их существования требуются необходимые и достаточные условия:

необходимы источники, снабжающие системы веществом, энергией с низкой энтропией;

возможность избавления от отходов, обладающих высокой энтропией.

Особенность живого организма состоит в том, что он поддерживает себя на сравнительно низком уровне энтропии, пользуясь высококачественной энергией, за счет возрастания энтропии окружающей среды, а условием существования жизни является достаточность энтропийных запасов окружающей природной среды. Для обеспечения жизни окружающая среда должна находиться в "достаточном упорядоченном состоянии". В ней должны находиться ряд питающих подсистем: солнечное излучение, воздух, вода, минералы, растения, животные и т.п. Существование и развитие жизни создают новые высокоупорядоченные системы, но при этом ускоряются процессы возрастания энтропии. В окружающую среду (в космос) выносятся низкокачественные потоки энергии (длинноволновые излучения) и другие отходы человеческой цивилизации. Жизнь создает актуальную упорядоченность из неактуальной неупорядоченности. При этом происходит увеличение энтропии в неактуальной части общей системы. В нашем случае актуальной подсистемой является биосфера на Земле, неактуальной - космическое пространство, откуда приходит солнечное излучение, дающее жизнь на Земле. Туда же, в космическое пространство, рассеивается излучение с земной поверхности. Это излучение обладает большей энтропией, т.е. более низким качеством энергии, чем поток солнечного излучения. Поэтому рост упорядоченности в биосфере Земли с большим избытком оплачен увеличением энтропии Вселенной. Главное при этом заключается в том, что происходит перемещение роста энтропии в неактуальные части системы. Таким образом, в полном согласии с законом возрастания энтропии достигается локальное уменьшение энтропии в актуальных для жизни человека подсистемах. В действительности, нет ни одного процесса в жизни, где нарушался бы закон возрастания энтропии. Все процессы в биосфере связаны с этим законом. Человек, как высший продукт живой природы, находится на верхнем уровне энтропийной пирамиды, где ее значение имеет очень малое значение, но устойчивость этого уровня обеспечивается за счет значительного возрастания энтропии нижележащих уровней и других питающих подсистем. Положение уровня человека весьма чувствительно к любым внешним воздействиям и требуется большой набор дополнительных достаточных условий, обеспечивающих относительную стабильность существования этого уровня, сложившегося в ходе длительных процессов эволюции живой материи. Мало того, что для обеспечения человеческой жизни нужны воздух, вода, пища, жилище, солнечное излучение и многое другое, но требуется, чтобы вода и воздух были чистыми. Такие, к каким привык человек за долгие годы эволюционного развития. Требуется большой набор биотических и абиотических факторов, обеспечивающих достаточность устойчивости жизни. Быстрое изменение одного из этих факторов может нарушить устойчивость уровня в пирамиде, где находится человек. Ни состав воды, ни состав воздуха и т.д. не должны быстро меняться от состава, сложившегося за эволюционный период. Если, например, абиотические факторы меняются (состав воды, воздуха и т.п.), то скорость этих изменений должна быть такой, чтобы успевал срабатывать механизм адаптации живого организма. Необходимые (обязательное наличие низкой энтропии открытой подсистемы за счет большего прироста энтропии внешних питающих систем) и достаточные (набор биотических и абиотических факторов, постоянных или меняющихся со скоростью адаптации) условия обеспечивают устойчивость жизни в биосфере. Необходимо отметить, что эти условия не охватывают все стороны многогранной жизни человека и общества с его наукой, культурой, производством, искусством, этикой, моралью и т.д., однако они являются фундаментом и каркасом здания, в котором живет и творит человек.

10. Энтропия Земли

Планета Земля вместе с живой и неживойприродой представляет собой сложнейшую самостоятельную экосистему, в которой нужно заботиться о ее состоянии, способном обеспечить существование жизни. Для этого необходимо, чтобы имелись, во-первых, источники, в которых будет происходить возрастание энтропии в системе "Земля - космос" за счет уменьшения энтропии в ноосфере, во-вторых, необходимы способы избавления от отходов человеческой цивилизации. Важнейшим источником энергии с низким значением энтропии является солнечное излучение, которое обеспечивает жизнедеятельность биосферы, протекание различных неравновесных процессов, включая фотосинтез и другие биохимические и биофизические реакции.