Тема. Часть

Вид материала

Закон

Содержание Рассмотрим простейший пример из курса школьной физики Обратимся опять к школьному примру Материя – это все то, что прямо или косвенно действует на органы чувств человека и другие объекты. Из закона сохранения энергии Австрийский физик Людвиг Больцман на основании Энтропия сложной системы равна сумме энтропий ее частей. Открытые системы обмениваются с окружающей средой энергией, веществом, информацией. В открытых системах Самоорганизация – процесс самопроизвольного усложнения структуры системы при взаимодействии ее с другими системами. Главенствующую роль в эволюции природы играют не порядок стабильность и равновесие, а неустойчивость и неравномерность

Подобный материал:

• Примерная программа дисциплины «ценообразование во внешней торговле» Рекомендуется, 374.28kb.
• 1 11 Тема 2 12 тема 3 13 Тема 4 14 Тема 5 15 Тема 6 17 Тема 7 20 Тема 8 22 Тема, 284.17kb.
• «Северо-Запад», 187.63kb.
• Проекту Государственного Контракта 45 график 45 часть III. Техническая часть 46 часть, 994.7kb.
• Вопросы теории, практики и методики изучения, 1714.38kb.
• Тема: «автобиографические мотивы в трилогии л. Толстого «детство», «отрочество», 220.79kb.
• Содержание часть II. Региональная характеристика мира тема 1 Зарубежная Европа, 95.42kb.
• Постановление Правительства Республики Казахстан от 27 декабря 2007 года №1301 Об утверждении, 2439.18kb.
• Леди Макбет Мценского уезда Н. А. Некрасов поэма, 18.14kb.
• Леди Макбет Мценского уезда Н. А. Некрасов поэма, 17.94kb.

Седьмая тема.

Часть первая

Законы сохранения

Однородность пространства заключается в том, что при параллельном переносе в пространстве замкнутой системы тел ее физические свойства и законы движения не изменяются, иными словами, не зависят от выбора положения начала координат инерциальной системы отсчета.

Можно сказать, что однородность это одинаковость свойств в разных точках пространства пир прочих равных условиях.

Пример: падающее тело под действие силы тяжести, или преобразования Галилея…Уравнения и законы, описывающие падение тел под действием силы тяжести будут одинаковыми в любой точке Земного шара. А законы гравитации будут одними и теми же в любой точке Вселенной.

Для количественного описания движения тела используется понятие импульса. Импульс определяется произведением массы тела на его скорость:

P = m  v . Из свойств однородности пространства следует закон сохранения импульса. Импульс замкнутой системы не изменяется с течением времени. Замкнутой является та система, которая не обменивается энергией с внешними телами. Или система, в которой взаимодействия происходят только между телами системы, а не с внешними телами.

Рассмотрим простейший пример из курса школьной физики: возьмем два сталкивающихся тела массами m и М. Скорости этих тел до столкновения были v₀ и V₀ , после столкновения - v и V. F – сила с которой тела действуют друг на друга во время столкновения (по третьему закону Ньютона сила, с которой 1-ое тело действует на 2-ое, равно силе действия 2-ого тела на 1-ое, но с противоположным знаком). t – время взаимодействия. По закону Ньютона для первого тела:

F = ma, a = (v – v₀ )/ t подставим : F = (mv – mv₀)/ t ; F t = mv – mv₀

Аналогично для второго тела: -- F t = MV – MV₀ ; или: F t = -- MV + MV₀ ;

Получили : mv – mv₀ = MV₀ - MV ; mv + MV = mv₀ + MV₀ , где

m₀v₀ + M₀V₀ − суммарный импульс двух тел до столкновения, mv + MV – суммарный импульс двух тел после столкновения.

Таким образом для простейшей системы из двух тел получили: при отсутствии внешних сил суммарный импульс системы (векторная сумма импульсов тел, составляющих систему) в результате взаимодействия тел не измениться.


Однородность времени означает инвариантность (неизменность, одинаковость) физических законов относительно выбора начала отсчета времени. Например, при свободном падении тела в поле силы тяжести Земли его скорость и пройденный путь зависят лишь от начальной скорости и продолжительности падения и не зависят от того, в какой момент времени тело начало падать.

Из однородности времени следует закон сохранения энергии: в системе тел, между которыми действуют только консервативные силы, полная механическая энергия сохраняется.

Консервативные силы – силы, работа которых не зависит от того, по какой траектории перемещалось тело, а зависит только от начального и конечного положения тела. Например, сила тяжести.

Противоположностью являются диссипативные силы. Работа, совершаемая такой силой, зависит от траектории движения. Например, сила трения. Механическая энергия в системах, где действуют такие силы, не сохраняется, а переходит в другие немеханические формы (например, в тепло, как при работе силы трения).

В реальности в системах действуют как диссипативные силы, так и консервативные. В таких системах полная механическая энергия не сохраняется. Следовательно, для такой системы закон сохранения полной механической энергии не выполняется. Однако при убывании механической энергии всегда возникает эквивалентное количество энергии другого вида, например тепловой. Таким образом, энергия никогда не исчезает и не появляется вновь, она лишь превращается из одного вида в другой. В этом заключается физическая сущность закона сохранения и превращения энергии – неуничтожимость материи и ее движения, поскольку энергия – универсальная мера различных форм движения и взаимодействия.


Обратимся опять к школьному примру: Рассмотрим тело, падающее с высоты H. На этой высоте тело обладает потенциальной энергией равной: mgH, где – g ускорение свободного падения, m масса тела. Тело в течении времени t падало с указанной высоты и у поверхности Земли имело скорость V. Потенциальная энергия тела у поверхности Земли равна нулю, зато тело приобрело кинетическую энергию равную mV²/ 2. Потенциальная энергия полностью перешла в кинетическую.


Еще одно важное свойство симметрии пространства – его изотропность пространства – означает инвариантность (одинаковость) физических законов относительно выбора направления осей координат, т.е. относительно поворота на любой угол.

Вращательное движение механической системы описывается с помощью момента импульса. Например, для материальной точки момент импульса определяется произведением ее импульса на радиус вращения: m V r. Из изотропности пространства следует фундаментальный закон природы – закон сохранения момента импульса: момент импульса замкнутой системы сохраняется, т.е. не изменяется с течением времени.


Так же можно выделить еще два важных закона сохранения, существующих в естествознании. Закон сохранения масс и закон сохранения материи.

Закон сохранения масс: масса замкнутой системы остается неизменной.


Закон сохранения материи, который является обобщением закона сохранения энергии и масс.

Материя не появляется из ничего и не исчезает, а переходит из одной формы в другую в эквивалентных количествах.


Итак: наряду с ньютоновской механикой в физике были сформулированы законы сохранения для некоторых физических величин: закон сохранения энергии, закон сохранения импульса, закон сохранения момента импульса, закон сохранения заряда, закон сохранения масс, сохранения материи, сохранения потока и т.д. Все законы сохранения справедливы в закрытых системах.


Часть вторая.


ЭНТРОПИЯ, СИНЕРГЕТИКА.


Вспомним несколько определений.

Материя – это все то, что прямо или косвенно действует на органы чувств человека и другие объекты.

Движение материи – любые изменения , происходящие с материальными объектами в результате их взаимодействия.

Вещество – основной вид материи, обладающий массой.

Физическое поле – особый вид материи, обеспечивающий физическое взаимодействие материальных объектов и их систем.

Физический вакуум – низшее энергетическое состояние квантового ( волнового ) поля.


Из закона сохранения энергии (энергия в природе ни из чего не возникает и никуда не исчезает, а лишь переходит из одного вида в другой) следует первый закон термодинамики.

→ 1ый з – н термодинамики гласит: Количество теплоты ∆Q , сообщенной телу, идет на увеличение его внутренней энергии ∆U и на совершение телом работы ∆A , т.е. ∆Q = ∆U + ∆A

Внутренняя энергия - это энергия теплового движения молекул (поступательного, вращательного и колебательного) и потенциальной энергии их взаимодействия.


Из первого закона (начала) термодинамики → что термодинамические процессы необратимы.

Например : если привести в соприкосновение два тела, горячее и холодное, то горячее тело будет отдавать тепло холодному до тех пор, пока температуры обоих тел не станут равными. Обратный процесс, если система замкнута, не произойдет. Пример еще одного необратимого процесса : Сосуд перегорожен пополам мембраной. В одной половине сосуда содержится некий газ, другая половина пуста. Уберем мембрану, и молекулы газа постепенно заполнят весь объем сосуда. Обратный процесс, без внешнего вмешательства, произойти не сможет. Молекулы самопроизвольно не соберутся в одной половине сосуда.

То есть существует односторонность, однонаправленность перераспределения энергии в замкнутых системах. Для отражения этого процесса в термодинамику было введено понятие энтропии. Энтропия описывает процессы, происходящие в макросистемах состоящих из огромного числа частиц. Под энтропией стали понимать меру беспорядка или неупорядоченности системы.

Австрийский физик Людвиг Больцман на основании статистической модели сложных термодинамических систем связал энтропию с вероятностью того или иного состояния системы, т.е. показал, что энтропия с точки зрения статистической физики – это мера упорядоченности или неупорядоченности элементов системы.


Второе начало термодинамики: при самопроизвольных процессах в замкнутых системах (т.е. в системах имеющих постоянную энергию) энтропия всегда возрастает. Рост энтропии означает приближение системы к состоянию равновесия.

Итак: физический смысл возрастания энтропии сводится к тому, что замкнутая система стремится перейти к наиболее простому состоянию термодинамического равновесия, при котором движение частиц хаотично. Как только система достигает термодинамического равновесия, производство работы такой системой становится невозможно.

Т. о. В закрытых системах, предоставленных самим себе, со временем возникает термодинамическое равновесие.

Энтропия сложной системы равна сумме энтропий ее частей.

Поскольку, энтропия может служить мерой молекулярного беспорядка, энтропия возрастает при переходе в состояние с меньшей упорядоченностью. Например: энтропия возрастает при переходе вещества из твердого в жидкое состояние и при переходе из жидкого в газообразное.


Энтропия позволяет установить ценность (качество) различных видов энергии по их способности превращаться друг в друга. Высококачественными являются механическая и электрическая энергии, связанные с упорядоченным движением частиц и способные полностью превращаться в другие виды энергии. Низкокачественными является тепловая энергия, связанная с хаотическим движением частиц и лишь частично переходящая в другие виды энергии. Промежуточное положение занимают химическая и ядерная формы энергии.


Все реальные системы являются открытыми. Открытые системы обмениваются с окружающей средой энергией, веществом, информацией. В открытых системах также производится энтропия, поскольку в них происходят необратимые процессы, но энтропия в этих системах не накапливается, как в закрытых, а выводится в окружающую среду. То есть энтропия в открытых системах убывает. В таких системах могут наблюдаться устойчивые упорядоченные состояния, возникающие из хаоса.

В открытых системах с поступлением новой энергии или вещества неравновесность возрастает, система не может перейти к состоянию равновесия. В конечном счете, прежняя взаимосвязь между элементами системы, которая определяет ее структуру, разрушается. Между элементами системы возникают новые связи, которые приводят к коллективному поведению ее элементов. Так схематически можно описать процессы самоорганизации в открытых системах.

Самоорганизация – процесс самопроизвольного усложнения структуры системы при взаимодействии ее с другими системами.

Иллюстрацией процесса самоорганизации может служить работа лазера. Излучение из обычного источника света представляют собой хаотические колебательные движения составляющих его частей – фотонов. В лазере же не вдаваясь в детали его функционирования, отметим, что эти хаотические колебательные движения составляющих его частиц, благодаря поступлению энергии извне, приводятся в согласованное движение. Они начинают колебаться в одинаковой фазе и фотоны лазера все имеют одну длину волны, то есть одного цвета. Вследствие этого, мощность лазерного излучения многократно возрастает. За счет поступления энергии прежние случайные колебания элементов такой системы превращаются в согласованное коллективное движение. Происходит самоорганизация системы.


Изучая процессы самоорганизации в лазере, немецкий физик Герман Хакен назвал новое направление исследований синергетикой – направление в науке, описывающее самоорганизующиеся процессы между элементами структуры в открытых системах.


Весь окружающий нас мир и Вселенная представляют собой совокупность разнообразных самоорганизующихся процессов, которые служат основой любой эволюции.

Открытые неравновесные системы и особенно живые организмы, находясь в динамическом контакте с окружающей их средой (диссипативные системы по классификации И.Пригожина), обмениваясь веществом, энергией и информацией, имеют возможность в антиэнтропийном процессе самоорганизации порождать из хаоса новые упорядоченные структуры и эволюционировать в сторону усложнения, разнообразия и многообразия форм.


Перечислим несколько условий для возникновения самоорганизации (создания новых структур и систем) в различных системах природы.

1.Система должна быть открытой.

2.Система должна находиться далеко от точки динамического равновесия. В точке динамического равновесия энтропия системы максимальна и потому не способна к какой-либо организации.

3.Важной причиной самоорганизации системы служит возникновение и усиление порядка через флуктуации. Такие флуктуации, или случайные отклонения от некоторого среднего положения, в самом начале подавляются и ликвидируются системой. Однако в открытых системах благодаря усилению неравновесности эти отклонения со временем возрастают и в конце концов приводят к «расшатыванию» прежнего порядка и возникновению нового.

4.Для самоорганизации необходимо обратиться к принципу положительно обратной связи, согласно которому изменения, появляющиеся в системе, не устраняются, а напротив, накапливаются и усиливаются, что и приводит к возникновению нового порядка.

5. Самоорганизация может начаться лишь в системах, обладающих достаточным количеством взаимодействующих между собой элементов.


Энтропия и синергетика довольно сложные понятия. Поэтому, чтобы немного стало понятнее еще несколько слов об энтропии и синергетике:

Синергетика сформулировала принцип создания более сложных систем из более простых. Синергетика подтвердила вывод ТО о взаимопревращении энергии и вещества. С точки зрения синергетики, энергия как бы застывает в виде кристалла, превращаясь из кинетической в потенциальную. Вещество – это как бы застывшая энергия. Энергия характеризует способность тела производить работу не только механическую, но и создавать новые структуры. Энергия – это творец вещества. Условия для создания новых структур мы уже перечисляли выше.

Главенствующую роль в эволюции природы играют не порядок стабильность и равновесие, а неустойчивость и неравномерность, т.е. системы постоянно флуктуируют (отклоняются от своего среднего наиболее вероятного состояния или значения).

Открытые системы развиваются и достигают определенной критической точки, которая называется точкой бифуркации.

Точка бифуркации – это критическая точка, после которой неизвестно в каком направлении будет развиваться система.

На дальнейшее развитие системы могут оказывать воздействие даже ничтожно малые флуктуации, которые в равновесном состоянии системы практически неразличимы, система их даже не замечает.

В точке бифуркации любой толчок, любое самое малое воздействие или изменение ( флуктуация) достигают такой силы, что система не выдерживает и разрушается, либо переходит на более высокий уровень порядка. Произойдет эволюция системы.