ОИ. Задания 14 и 17 (ОГЭ).

Термодинамические и статистические свойства макросистем

Термодинамика (греч. θέρμη – «тепло», δύναμις – «сила») – раздел физики, изучающий соотношения и превращения теплоты и других форм энергии.

Статистическая физика – раздел физики, изучающий методами теории вероятностей поведение систем частиц в состоянии равновесия или в неравновесном состоянии.

Реальные физические системы, как правило, состоят из огромного числа частиц (Ν~NA). Такие системы называются макроскопическими. В результате теплового движения и межчастичного взаимодействия у таких систем появляются новые свойства отличные от свойств отдельных частиц.

Открытие закона сохранения энергии способствовало развитию двух качественно различных, но взаимно дополняющих методов исследования тепловых явлений и свойств макросистем: термодинамического и статистического (молекулярно-кинетического). Первый из них лежит в основе термодинамики, второй – молекулярной физики.

Основа термодинамического метода – определение состояния термодинамической системы, представляющей собой совокупность макроскопических тел, которые взаимодействуют и обмениваются энергией как между собой, так и с другими телами (внешней средой). Состояние системы задается термодинамическими параметрами (параметрами системы), характеризующими ее свойства. Обычно в качестве термодинамических параметров состояния выбирают температуру, давление и удельный объем (объем единицы массы).

Температура – физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы. В соответствии с решением XI Генеральной конференции по мерам и веϲам (1960 г.) в настоящее время рекомендовано применять только две температурные шкалы – термодинамическую и Международную практическую, градуированные соответственно в Кельвинах (К) и градусах Цельсия (°С). Анализ показывает, что 0 К (абсолютный нуль) недостижим, хотя сколь угодно близкое приближение к нему возможно.

К концу XIX в. была создана последовательная теория, описывающая свойства большой совокупности атомов и молекул, – молекулярно-кинетическая теория, или статистическая механика. Процессы, изучаемые молекулярной физикой, являются результатом совокупного действия огромного числа молекул, которое анализируется статистическим методом, основанным на том, что свойства макросистемы в конечном результате определяются особенностями движения частиц и их усреднёнными кинетическими и динамическими характеристиками (скоростью, энергией, давлением и т.д.). Например, температура тела зависит от скорости беспорядочного движения его молекул, но так как в любой момент времени разные молекулы имеют различные скорости, её удобно определять через среднее значение скорости движения молекул.

Источник информации: 

1. Данилов В.А., Френкель Е.Э "СТАТИСТИЧЕСКИЕ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАКРОСИСТЕМ"[электронный ресурс] // URL: http://www.scienceforum.ru/2017/2295/26715 (дата обращения: 17.04.2017)
2. Естественно-научная картина мира (Часть 1)/ науч. ред. Н.А.Сахибуллин. – Казань: Казан. фед. ун-т, 2011. – Ч1 – 216 с.

Законы сохранения энергии в макропроцессах Термодинамические законы

Динамические и статистические закономерности в природе

Статистические и динамические закономерности – две основные формы закономерной связи явлений, которые отличаются по характеру вытекающих из них предсказаний.

Статистические законы — это такие законы, когда любое состояние представляет собой вероятностную ха­рактеристику системы. Здесь действуют статистические распределения величин. Это означает, что в статисти­ческих теориях состояние определяется не значениями физических величин, а их распределениями. Нахожде­ние средних значений физических величин — главная задача статистических теорий. Вероятностные характе­ристики состояния совершенно отличны от характерис­тик состояния в динамических теориях. Статистические законы и теории являются более совершенной формой опи­сания физических закономерностей, так как любой извес­тный сегодня процесс в природе более точно описыва­ется статистическими законами, чем динамическими. Различие между ними в одном — в способе описания состояния системы.

В законах динамического типа предсказания имеют точно определенный, однозначный характер. Так, в механике, если известен закон движения тела и заданы его координаты и скорость, то по ним можно точно определить положение и скорость движения тела в любой другой момент времени. Динамические законы характеризуют поведение относительно изолированных систем, состоящих из небольшого числа элементов и в которых можно абстрагироваться от целого ряда случайных факторов. Динамические законы обычно формулируют каузальные (причинные) связи явлений. Рассматривая одно явление как причину другого, мы вырываем их из всеобщей связи, изолируем друг от друга и тем самым значительно упрощаем и идеализируем действительность. Подобную идеализацию легче осуществить в механике, астрономии, классической физике, которые имеют дело с точно известными силами и законами движения тел под их воздействием. В более сложных ситуациях приходится учитывать воздействие множества случайных факторов и обращаться к статистическим законам.

Вероятностные характеристики состояния в статистических теориях совершенно отличны от характеристик состояния в динамических теориях. Тем не менее, динамические и статистические теории обнаруживают в самом существенном отношении замечательное единство. Эволюция состояния в статистических теориях однозначно определяется уравнениями движения, как и в динамических теориях. По заданному статистическому распределению (по заданной вероятности) в начальный момент времени уравнение движения однозначно определяет статистическое распределение (вероятность) в любой последующий момент времени, если известны энергия взаимодействия частиц друг с другом и с внешними телами. Однозначно определяются соответственно и средние значения всех физических величин. Здесь нет никакого отличия от динамических теорий в отношении однозначности результатов. Ведь статистические теории, как и динамические, выражают необходимые связи в природе, а они вообще не могут быть выражены иначе, чем через однозначную связь состояний.На уровне статистических законов и закономерностей мы также сталкиваемся с причинностью.

Статистические законы и теории являются более совершенной формой описания физических закономерностей, любой известный на сегодняшний день процесс в природе более точно описывается статистическими законами, чем динамическими. Однозначная связь состояний в статистических теориях говорит об их общности с динамическими теориями. Различие между ними в одном – способе фиксации (описания) состояния системы.

Когда стало очевидно, что нельзя отрицать роль статистических законов в описании физических явлений (все экспериментальные данные полностью соответствовали теоретическим расчетам, основанным на подсчетах вероятностей), была выдвинута теория «равноправия» статистических и динамических законов. Те и другие законы рассматривались как законы равноправные, но относящиеся к различным явлениям, имеющие каждый свою сферу применения, не сводимые друг к другу, но взаимно дополняющие друг друга.

Источник информации: 

1. Реферат «Статистические и динамические закономерности в природе» [электронный ресурс] // URL: http://www.bestreferat.ru/referat-266109.html (дата обращения: 17.04.2017)
2. Статья "Статистические и динамические закономерности" [электронный ресурс] // URL: http://www.studfiles.ru/preview/6012508/page:5/ (дата обращения: 17.04.2017)
3. Введение в философию: Учебник для вузов. //Под ред. И. Т. Фролова – М., 2002 [электронный ресурс] // URL: http://www.alleng.ru/d/phil/phil029.htm (дата обращения: 17.04.2017)

Статистическое толкование второго начала термодинамики

Состояние макроскопического тела (т.е. тела, образованного огромным числом молекул) может быть задано с помощью объема, давления и температуры. Данное макроскопическое состояние газа с определенными средними значениями параметров представляет собой непрерывную смену близких микроскопических состояний, отличающихся друг от друга распределением одних и тех же молекул в разных частях объема и распределением импульса между различными молекулами. Для примера рассмотрим распределение только четырех молекул по двум половинкам объема.

Первое макро-состояние, при котором в левой части объема находятся все молекулы, реализуется одним микросостоянием. Термодинамической вероятностью или статистическим весом W называют число микросостояний, с помощью которого реализуется данное макро-состояние. Первое макро-состояние имеет термодинамическую вероятность W= 1. Второе макро-состояние, при котором в левой части объема находятся три молекулы, а в правой - одна, реализуется четырьмя способами (в правой части можно по очереди разместить четыре различных молекулы), и его термодинамическая вероятность W = 4 . Третье макро-состояние, при котором молекулы поровну распределены по половинкам объема, имеет термодинамическую вероятность W = 6. Точное определение того, что подразумевается под ”числом микроскопических способов осуществления” теплового состояния тела, дается в курсе статистической физики.

Так как система стремится к равномерному распределению молекул по объему, то согласно рассмотренному примеру она должна стремиться к максимуму термодинамической вероятности. С другой стороны, энтропия системы тоже стремится к максимальному значению. Следовательно, существует связь между энтропией и термодинамической вероятностью, теоретически полученная Больцманом:
S = k lnW , (10.28), где k - постоянная Больцмана,  S - энтропия, W - Термодинамическая вероятность системы ( число микросостояний, соответствующих данному макросостоянию системы)

Второе начало термодинамики приобретает следующий статистический смысл: изолированная система самопроизвольно может переходить только от состояний менее вероятных к состояниям более вероятным.

Источник информации: 
Статья "Статистическое толкование-второе-начало-термодинамика" [электронный ресурс] // URL: http://www.ngpedia.ru/id516967p1.html (дата обращения: 17.04.2017)

Термодинамика живых систем

Состояние живых систем в любой момент времени (динамическое состояние) характеризуется тем, что элементы системы постоянно разрушаются и строятся заново. Этот процесс носит название биологического обновления. Для обновления элементов в живых системах требуется постоянный приток извне веществ и энергии, а также вывод во внешнюю среду теплоты и продуктов распада.
Таким образом, открытость – одно из важнейших свойств живых систем.

Для открытой системы в стационарном состоянии производство энтропии минимально. В течение времени жизни живой системы ее элементы постоянно подвергаются распаду. Энтропия этих процессов положительна (возникает неупорядоченность). Для компенсации распада (компенсации неупорядоченности) должна совершаться внутренняя работа в форме процессов синтеза элементов взамен распавшихся. А это означает, что эта внутренняя работа является процессом с отрицательной энтропией (такие процессы называют негэнтропийными, а отрицательную энтропию – негэнтропией).

Итак, живая система является открытой системой, и ее энтропия не возрастает, как это имеет место в изолированной системе. Это означает, что живая система постоянно совершает работу, направленную на поддержание своей упорядоченности, и находится в неравновесном стационарном состоянии. Производство энтропии при этом минимально.

Таким образом, с позиций термодинамики можно утверждать, что живым системам присущи процессы, уменьшающие их энтропию и, следовательно, поддерживающие их организованность.

Источник информации: 

Естественно-научная картина мира (Часть 1)/ науч. ред. Н.А.Сахибуллин. – Казань: Казан. фед. ун-т, 2011. – Ч1 – 216 с.

Энтропия. Принцип возрастания энтропии

Энтропия – это величина, характеризующая тепловое состояние тела или системы тел; степень неупорядоченности этой системы. При любых процессах, происходящих в закрытой системе, энтропия меняется, т.е. возрастает или остается постоянной. Причем возрастание энтропии – это необратимый процесс.

Полагается, что второе начало прямо связывает возрастание энтропии с «положительным направлением времени», т.е. время необратимо, поскольку необратим процесс, сопровождающийся необратимым же ростом энтропии. Опираясь на выдвинутые положения, И.Пригожин считает, что “…будущему соответствует большее значение энтропии”, т.е. что во всех системах деградация и дезорганизованность возрастают. В этом лежат корни распространяющихся сейчас категорически утверждаемых положений: “…равновесие не может быть целью сущего, так как оно исключает развитие”; или: “cтремление к максимальному беспорядку, ограниченное условиями, есть главный закон природы”.

Энтропия (S) в реальном процессе – затраты на холодильник, лучеиспускание, трение. При обратимом изолированном цикле нет изменения энтропии, она постоянна. В необратимых процессах энтропия возрастает до тех пор, пока система не придет в равновесие, и при этом энтропия будет максимальна. Работа прекращается в состоянии равновесия, A=0.

Отсюда Клаудиус вывел возможность тепловой смерти вселенной, так как идёт процесс накопления (повышения) энтропии, и все процессы остановятся, но его (возможно) ошибка была в том, что он исходил из того, что вселенная – замкнутая система.

Энтропия определяет возможность, направление и предел самопроизвольных процессов в замкнутых системах. Энтропия – это количественная мера хаоса в системе. 

Если W=1, то S=0 – только идеальный кристалл при Т=0. W - Термодинамическая вероятность системы ( число микросостояний, соответствующих данному макросостоянию системы). Если в кристалле есть хотя бы один дефект, то W=2, и S>0.

Источник информации: 

1. Реферат "Принципы возрастания энтропии Экология Новосибирска"электронный ресурс] // URL: http://works.doklad.ru/view/xIOb_3qRwUc.html (дата обращения: 17.04.2017)
2. Статья "Совет 1: Принцип возрастания энтропии" электронный ресурс] // URL:  http://www.kakprosto.ru/kak-857204-princip-vozrastaniya-entropii (дата обращения: 17.04.2017)

Самоорганизация в открытых системах           Синергетика

Синергетика - новое направление в познании человеком природы, общества и самого себя, смысла своего существования. Новое качество в познании достигается за счет использования нелинейного мышления и синтеза достижений различных наук при конструировании образа мироздания.

Синергийный подход предполагает нелинейное развитие по бифуркационному сценарию, когда новое качество человека и общества не представляет собой результат закономерного поступательного развития, а является следствием выбора одного из возможных вариантов развития под влиянием коллективных и индивидуальных взаимодействий, которые могут изменить направление не только общественных преобразований, но и саму сущность человека.

Специфика предмета синергетики состоит в том, что она изучает процессы самоорганизации в открытых системах под углом зрения нелинейного мышления. Объектом же исследования являются сложноорганизованные неравновесные системы, находящиеся на различных стадиях перехода от хаоса к порядку и обратно. Эвристические возможности синергетики находят применение практически во всех областях знания.

Понятие самоорганизации выражает способность сложных систем к упорядочению своей внутренней структуры. Самоорганизация в сложных и динамичных открытых системах возможна лишь при наличии достаточно большого числа взаимодействующих элементов. Причем, поведение взаимодействующих элементов должно быть кооперативным и когерентным. Это относится и к природе и к обществу. Механизм самоорганизации начинает действовать в рамках более масштабных и качественно иных структур. И охватывает уже не отдельные общности людей, а все человеческое сообщество.

Поскольку проблема выбора режимов функционирования или направлений развития возникает перед любой самоорганизующейся системой, в синергетике приступили к построению и исследованию бифуркационных моделей с тем, чтобы попытаться обнаружить закономерность в самой случайности.

Понятием "бифуркация" обозначается состояние системы, находящейся перед выбором возможных вариантов функционирования или путей эволюции (развилка дорог). В математике это означает ветвление решений нелинейного дифференциального уравнения. В точке бифуркации (на перепутье) система находится в неравновесном состоянии, где малейшие флуктуации или случайные обстоятельства могут кардинально изменить направление дальнейшего развития, закрывая тем самым возможности движения альтернативным путем. Характеризуя такие состояния, И.Р. Пригожий подчеркивает «уникальность точек бифуркации, в которых состояние системы теряет стабильность и может развиваться в сторону многих различных режимов функционирования».


Источник информации: 

1. Реферат "Синергетика и самоорганизация" электронный ресурс] // URL:  http://xreferat.com/10/1544-1-sinergetika-i-samoorganizaciya.html (дата обращения: 17.04.2017)
2. Реферат "Синергетика и самоорганизация" электронный ресурс] // URL:  https://www.kazedu.kz/referat/130838 (дата обращения: 17.04.2017)