Принцип возрастания энтропии

    ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

    ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО  ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ 

    КАМСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ИНЖЕНЕРНО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ  АКАДЕМИЯ

    Кафедра «Финансы и бухгалтерский учёт»

    Контрольная работа

 

    по  дисциплине «Концепции современного естествознания»

    по  теме: Принцип возрастания энтропии.  
 
 
 

    Выполнил:

    Студент Яруллина С.А.

    (Ф.И.О.)

    Группы 5116-в 

    ______________ (подпись)

    «___»__________ 201_ г. 
 

    Проверил:

    Милованов В.Н 

    (ученое  звание Ф.И.О.) 

    ______________ (подпись)

    «___»__________ 201_ г. 
 
 
 
 
 

      Набережные Челны, 2010

     Содержание

Введение……………………………………………………………………………..3

1. I начало термодинамики…………………………………………………………6

2. Обратимые и необратимые процессы…………………………………………...9

3. Понятие об энтропии. II начало термодинамики……………………………...12

4 Проблема тепловой смерти Вселенной и флуктуационная гипотеза Больцмана…………………………………………………………………………...14

Заключение………………………………………………………………………….16

Список литературы…………………………………………………………………17

 

      Введение

     Во  второй половине XX века произошли два события, которые, на наш взгляд, в значительной мере определяют дальнейшие пути научного постижения мира. Речь идет о создании теории информации и о начале исследований механизмов антиэнтропийных процессов, для изучения которых синергетика привлекает все новейшие достижения неравновесной термодинамики, теории информации и общей теории систем.

     Принципиальное  отличие данного этапа развития науки от предшествующих этапов заключается  в том, что до создания перечисленных  направлений исследований наука способна была объяснить лишь механизмы процессов, приводящих к увеличению хаоса и возрастанию энтропии. Что касается разрабатываемых со времен Ламарка и Дарвина биологических и эволюционных концепций, то они и по сей день не имеют строгих научных обоснований и противоречат Второму началу термодинамики, согласно которому сопровождающее все протекающие в мире процессы возрастание энтропии есть непременный физический закон.

     Заслуга неравновесной термодинамики заключается  в том, что она сумела выявить  механизмы антиэнтропийных процессов, не противоречащих второму началу термодинамики, поскольку локальное уменьшение энтропии внутри самоорганизующейся системы всегда оплачивается большим по абсолютной величине возрастанием энтропии внешней среды.

     Важнейшим шагом на пути постижения природы и механизмов антиэнтропийных процессов следует введение количественной меры информации. Первоначально эта мера предназначалась лишь для решения сугубо прикладных задач техники связи. Однако последующие исследования в области физики и биологии позволили выявить универсальные меры, предложенные К.Шенноном, позволяющие установить взаимосвязь между количеством информации и физической энтропией и в конечном счете определить сущность новой научной интерпретации понятия «информация» как меры структурной упорядоченности самых разнообразных по своей природе систем.

     Используя метафору, можно сказать, что до введения в науку единой информационной количественной меры представленный в естественно-научных понятиях мир как бы «опирался на двух китов»: энергию и вещество. «Третьим китом» оказалась теперь информация, участвующая во всех протекающих в мире процессах, начиная от микрочастиц, атомов и молекул и кончая функционированием сложнейших биологических и социальных систем.

     Естественно, возникает вопрос: подтверждают или опровергают эволюционную парадигму происхождения жизни и биологических видов новейшие данные современной науки?

     Для ответа на этот вопрос необходимо прежде всего уяснить, какие именно свойства и стороны многогранного понятия «информация» отражает та количественная мера, которую ввел в науку К.Шеннон.

     Использование меры количества информации позволяет  анализировать общие механизмы  информационно-энтропийных взаимодействий, лежащих в основе всех самопроизвольно  протекающих в окружающем мире процессов накопления информации, которые приводят к самоорганизации структуры систем.

     Вместе  с тем информационно-энтропийный  анализ позволяет выявить и пробелы  эволюционных концепций, представляющих собой не более чем несостоятельные  попытки сведения к простым механизмам самоорганизации проблему происхождения жизни и биологических видов без учета того обстоятельства, что системы такого уровня сложности могут быть созданы лишь на основе той информации, которая изначально заложена в предшествующий их сотворению план.

     Проводимые  современной наукой исследования свойств  информационных систем дают все основания  утверждать, что все системы могут  формироваться только согласно спускаемым с верхних иерархических уровней  правилами, причем сами эти правила  существовали раньше самих систем в форме изначального плана (идеи творения).

     В настоящее время теплосиловые и  тепловые установки получили широкое  распространение в различных  отраслях народного хозяйства. На промышленных предприятиях они составляют основную важнейшую часть технологического оборудования. Наука, изучающая методы использования энергии топлива, законы процессов изменения состояния вещества, принципы работы различных машин и аппаратов, энергетических и технологических установок, называется теплотехникой. Теоретическими основами теплотехники являются термодинамика и теория теплообмена.

     Термодинамика опирается на фундаментальные законы (начала), которые являются обобщением наблюдений над процессами, протекающими в природе независимо от конкретных свойств тел. Этим объясняется универсальность закономерностей и соотношений между физическими величинами, получаемых при термодинамических исследованиях.

     Первый  закон термодинамики характеризует  и описывает процессы превращения  энергии с количественной стороны  и дает все необходимое для составления энергетического баланса любой установки или процесса.

     Второй  закон термодинамики, являясь важнейшим  законом природы, определяет направление, по которому протекают термодинамические  процессы, устанавливает возможные  пределы превращения теплоты в работу при круговых процессах, позволяет дать строгое определение таких понятий, как энтропия, температура и т.д.

     В качестве третьего начала термодинамики  принимается принцип недостижимости абсолютного нуля.

     В теории теплообмена изучаются закономерности переноса теплоты из одной области пространства в другую. Процессы переноса теплоты представляют собой процессы обмена внутренней энергией между элементами рассматриваемой системы в форме теплоты.

 

1. I начало термодинамики

     Первое  начало термодинамики — один из трёх основных законов термодинамики, представляет собой закон сохранения энергии для термодинамических систем.

     Первое  начало термодинамики было сформулировано в середине XIX века в результате работ  немецкого учёного Ю. Р. Майера, английского физика Дж. П. Джоуля и немецкого физика Г. Гельмгольца[1]. Согласно первому началу термодинамики, термодинамическая система может совершать работу только за счёт своей внутренней энергии или каких-либо внешних источников энергии. Первое начало термодинамики часто формулируют как невозможность существования вечного двигателя первого рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника.

     Существует  несколько эквивалентных формулировок первого начала термодинамики:

• Количество теплоты, полученное системой, идёт на изменение её внутренней энергии и совершение работы против внешних сил.
• Изменение внутренней энергии системы при переходе её из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе и не зависит от способа, которым осуществляется этот переход.
• Изменение полной энергии системы в квазистатическом процессе равно количеству теплоты Q, сообщённому системе, в сумме с изменением энергии, связанной с количеством вещества N при химическом потенциале μ, и работы A', совершённой над системой внешними силами и полями, за вычетом работы A, совершённой самой системой против внешних сил.

     ΔU = Q − A + μΔN + A'.

     Для элементарного количества теплоты  δQ, элементарной работы δA и малого приращения dU внутренней энергии первый закон термодинамики имеет вид:

     dU = δQ − δA + μdN + δA'.

     Разделение  работы на две части, одна из которых  описывает работу, совершённую над  системой, а вторая — работу, совершённую  самой системой, подчёркивает, что  эти работы могут быть совершены силами разной природы вследствие разных источников сил.

     Важно заметить, что dU и dN являются полными  дифференциалами, а δA и δQ — нет.

Рассмотрим  несколько частных случаев:

     Если  δQ > 0, то это означает, что тепло  к системе подводится.

      Если  δQ < 0, аналогично — тепло отводится.

     Если  δQ = 0, то система не обменивается теплом с окружающей средой и называется адиабатически изолированной.

     Обобщая: в конечном процессе 1 → 2 элементарные количества теплоты могут быть любого знака. Общее количество теплоты, которое мы назвали просто Q — это алгебраическая сумма количеств теплоты, сообщаемых на всех участках этого процесса. В ходе процесса теплота может поступать в систему или уходить из неё разными способами.

     При отсутствии работы над системой и потоков энергии-вещества, когда δA' = 0, δQ = 0, dN = 0, выполнение системой работы δA приводит к тому, что ΔU < 0, и энергия системы U убывает. Поскольку запас внутренней энергии U ограничен, то процесс, в котором система бесконечно долгое время выполняет работу без подвода энергии извне, невозможен, что запрещает существование вечных двигателей первого рода.

     Первое  начало термодинамики:

• при изобарном процессе

Q = ∆U + A = ∆U + p∆V

• при изохорном процессе (A = 0)

Q = ∆U = C_V∆T

• при изотермическом процессе (ΔU = 0)

Q = A = PTln

     Здесь  m — масса газа, M  — молярная масса газа, C_V — молярная теплоёмкость при постоянном объёме, p, V, T — давление, объём и температура газа соответственно, причём последнее равенство верно только для идеального газа. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Обратимые и необратимые процессы.

     Процесс называется равновесным, если в прямом и обратном направлении проходит через одни и те же состояния бесконечно близкие к равновесию. Работа равновесного процесса имеет максимальную величину по сравнению с неравновесными процессами и называется максимальной работой.

     Если  равновесный процесс протекает  в прямом, а затем в обратном направлении так, что не только система, но и окружающая среда возвращается в исходное состояние и в результате процесса не остается никаких изменений во всех участвовавших в процессе телах, то процесс называется обратимым.