При рассмотрении соотношения между динамическими и статистическими законами мы встречаемся с двумя аспектами этой проблемы.
В аспекте, возникшем исторически первым, соотношение между динамическими и статистическими законами выступает в следующем плане: законы, отражающие поведение индивидуальных объектов, являются динамическими, а законы, описывающие поведение большой совокупности этих объектов, статистическими. Например, соотношение между классической механикой и статистической механикой. Динамические и статистические законы описывают разные формы движения материи, не сводимые друг к другу. Они имеют разные объекты описания, и поэтому анализ теорий не позволяет выявить существенное в их отношении друг к другу.
Второй аспект проблемы изучает соотношение динамических и статистических законов, описывающих одну и ту же форму движения материи. Примером могут служить термодинамика и статистическая механика, электродинамика Максвелла и электронная теория и т.д.
До появления квантовой механики считалось, что поведение индивидуальных объектов всегда подчиняется динамическим закономерностям, а поведение совокупности объектов - статистическим; низшие, простейшие формы движения подчиняются динамическим закономерностям, а высшие, более сложные - статистическим. Но с возникновением квантовой механики было установлено, что как «низшие», так и «высшие» формы движения материи могут описываться и динамическими, и статистическими законами. Например, квантовая механика и квантовая статистика описывают разные формы материи, но обе эти теории являются статистическими.
После создания квантовой механики можно с полным основанием утверждать, что динамические законы представляют собой первый, низший этап в познании окружающего нас мира и что статистические законы более полно отражают объективные связи в природе, являясь более высоким этапом познания.
Говоря о смене теорий, мы в первую очередь имеем в виду смену менее глубоких физических представлений более глубокими представлениями о сущности явлений. Одновременно со сменой физических представлений расширяется область применимости теорий. Статистические теории распространяются на более широкий круг явлений, недоступный динамическим теориям. Статистические теории находятся в лучшем количественном согласии с экспериментом, чем динамические.
Вывод: на основе динамических и статистических законов возникает динамическая и вероятностная причинность. И как статистические законы глубже отражают объективные связи природы, чем динамические, так и вероятностная причинность является более общей, а динамическая - лишь ее частным случаем.
25. Энтропия как мера неупорядоченности системы. Принцип возрастания энтропии.
В физике появилось новое понятие «энтропия» (entropia греч. поворот, превращение). Ввел его в 1865 г. Клаузиус. Он предположил, что есть некоторая величина S, которая, подобно энергии, давлению, температуре, характеризует состояние газа. Когда к газу подводится некоторое количество DQ, то S возрастает на величину DS = DQ/Т.
Ранее говорилось о том, что раньше не делалось различий между понятиями теплота и температура.
После введения понятия энтропии стало ясно, где пролегает эта граница. Дело в том, что нельзя говорить о том, что в теле заключено какое-то количество теплоты. Теплота может передаваться от тела к телу, переходить в работу, возникать при трении, но при этом она (теплота) не является сохраняющейся величиной. Поэтому теплота определяется в физике не как вид энергии, а как мера изменения энергии. А вот энтропия в обратимых процессах (в частности в идеальном цикле Карно) сохраняется. Энтропия, таким образом, характеризует состояние системы.
Можно провести некоторую аналогию с потенциальной энергией. Действительно, так же как каждому уровню высоты над поверхностью Земли отвечает своя потенциальная энергия, так и каждому состоянию термодинамической системы отвечает своя энтропия.
Как работа в поле тяжести (потенциальном поле) не зависит от вида пути, а зависит только от изменения потенциальной энергии, так и энтропия не зависит от вида процесса и определяется исключительно изменением состояния системы как конечным результатом процесса.
Все это означает, что энтропия системы может рассматриваться как функция состояния системы, т.к. изменение ее не зависит от вида процесса, а определяется лишь начальным и конечным состоянием системы.
Нетрудно убедиться в том, что энтропия сложной системы равна сумме энтропии ее частей. Энтропия – мера беспорядка системы. Энтропия – части тепловой энергии к абсолютной температуре, которую нельзя превратить в работу: rS =rQ / Т.
Закон, определяющий направление тепловых процессов, можно сформулировать как закон возрастания энтропии: для всех происходящих в замкнутой системе тепловых процессов энтропия системы возрастает, максимально возможное значение энтропии замкнутой системы достигается в тепловом равновесии: rS³ 0.
Данное утверждение принято считать количественной формулировкой второго закона термодинамики, открытого Р.Ю.Клаузиусом (его молекулярно-кинетическое истолкование дано Л.Больцманом).
Идеальному случаю — полностью обратимому процессу замкнутой системы — соответствует неизменяющаяся энтропия. Все естественные процессы происходят так, что вероятность состояния возрастает, что означает переход от порядка к хаосу. Значит, энтропия характеризует меру хаоса, которая для всех естественных процессов возрастает. В этой связи закон о невозможности вечного двигателя второго рода, закон о стремлении тел к равновесному состоянию получают свое объяснение. Почему механическое движение переходит в тепловое? Да потому, что механическое движение упорядочено, а тепловое беспорядочно, хаотично.
26. Самоорганизация в открытых неравновесных системах.
Самопроизвольное (не требующее внеш. организующих воздействий) образование упорядоченных пространственных или временных структур в сильно неравновесных открытых системах (физ., хим., биол. и др.). Непрерывные потоки энергии или в-ва, поступающие в систему, поддерживают ее в состоянии, далеком от равновесия. При таких условиях в системе развиваются собственные (внутренние) неустойчивости (области неустойчивого поведения), развитием к-рых является С.
Классич. пример физ. открытой системы с пространственной С.-плоский горизонтальный слой вязкой жидкости, подогреваемый снизу. При относительно малых вертикальных градиентах температуры в жидкости имеет место режим бесконвективной теплопроводности. Когда градиент температуры превысит некоторую критич. величину, в жидкости возникает конвекция. При малых превышениях градиента температуры над критич. значением конвективные потоки в-ва приобретают упорядоченность: при наблюдении сверху они имеют вид валиков или шестиугольных ячеек (ячейки Бенара).
Генерация лазерного излучения считается примером временной С. Лазер непрерывного действия - сильно неравновесная открытая система, образованная возбужденными частицами (атомами, молекулами) и модами электромагн. поля в резонаторе. Неравновесность этой системы поддерживается непрерывным притоком энергии от внеш. некогерентного источника (накачкой). При малых интенсивностях накачки излучение системы состоит из не сфазированных между собой цугов волн. С повышением интенсивности накачки вплоть до нек-рой пороговой величины излучение системы становится когерентным, т.е. представляет собой непрерывный волновой цуг, в к-ром фазы волн жестко скорректированы на макроскопич. расстояниях от излучателя. Этот переход к генерации когерентных колебаний можно интерпретировать как С.
С. в неравновесных системах принципиально отличается от явлений упорядочения при фазовых переходах в равновесных системах, где порядок возрастает с понижением температуры: жидкость кристаллизуется, спины атомов ориентируются, образуя упорядоченную структуру, свойственную ферромагнетикам;в нек-рых металлах может осуществляться переход к когерентному квантовому состоянию, характерному для сверхпроводников. Общим для обоих процессов образования порядка в системе является понижение симметрии по отношению к трансляциям в пространстве или во времени.
На С. в неравновесной открытой системе могут влиять флуктуации параметров состояния как самой системы, так и окружающей среды. В свою очередь, сама С. оказывает влияние на амплитуду и длительность флуктуации.
27. Химические реакции. Энергетика химических процессов. Скорость протекания химических реакций. Катализаторы.
Химическая реакция — превращение одного или нескольких исходных веществ (реагентов) в отличающиеся от них по химическому составу или строению вещества (продукты реакции) - химические соединения. В отличие от ядерных реакций, при химических реакциях не изменяется общее число атомов в реагирующей системе, а также изотопный состав химических элементов.
Химические реакции происходят при смешении или физическом контакте реагентов самопроизвольно, при нагревании, участии катализаторов (катализ), действии света (фотохимические реакции), электрического тока (электродные процессы), ионизирующих излучений (радиационно-химические реакции), механического воздействия (механохимические реакции), в низкотемпературной плазме (плазмохимические реакции) и т.п. Превращение частиц (атомов, молекул) осуществляется при условии, что они обладают энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера, разделяющего исходное и конечное состояния системы (Энергия активации).