Файл: Мет.ук.ст. КСЕ 11НИБ экономика.doc

Немецкий математик Э.Нетер (1882-1935) доказала теорему, согласно которой с однородностью пространствасвязанзакон сохранения импульса, сизотропностью пространства-закон сохранения момента импульса, а соднородностью времени-закон сохранения энергии.

РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ ОБ ЭВОЛЮЦИИ МАКРОСИСТЕМ

Общие положения. Эволюция- это изменения в окружающем мире. Любой эволюционный процесс характеризуется определенной направленностью, а свойства явлений и процессов на каждом уровне организации материи определяются результатом предшествующего развития.

Первые эволюционные взгляды возникли в глубокой древности. В ионийской школе древнегреческой философии, представителями которой были Фалес, Анаксимандр, Анаксимен, Гераклит Эфесский, Диоген Аполлонийский, были выдвинуты идеи о развитии мира из хаоса. В античной эстетике хаос, с которым связывалось нечто бесформенное, расплывчатое и неопределенное, противопоставлялся гармонии, означающей определенность, единство и наличие формы. Гераклит (конец VI- началоVвв. до н.э.), утверждая, что «все течет» и «в одну реку нельзя войти дважды», одним из первых сформулировалпринцип эволюции, сущность которого заключается в неизбежности развития.

Философы Средневековья считали гармоническую организацию мира результатом творения бога, а мыслители эпохи Возрождения - результатом развития творческих начал самой природы и общества, результатом единства телесного и духовного, материального и идеального.

В западноевропейской философии ХVII-ХIХ вв. идеи об универсальных структурообразующих и эволюционных закономерностях в природе и обществе получили дальнейшее развитие. Немецкий философ Г. Гегель (1770-1831) установил, что источником развития является противоречие, и сформулировал три основных законадиалектики(учения о развитии):закон перехода количественных изменений в качественные, закон единства и борьбы противоположностей изакон отрицания отрицания. Он писал: «Всякое явление противоречиво в том смысле, что оно само из себя развивает те элементы, которые рано или поздно положат конец его существованию, превратят его в собственную противоположность. Все течет, все изменяется, и нет силы, которая могла бы задержать это постоянное течение, остановить это вечное движение; нет силы, которая могла бы противиться диалектике явлений».

Большое значение для развития эволюционных взглядов имели учения об изменчивости и приспособлении живых организмов на Земле, первые из которых сформировались в античное время.

Современным естественно-научным представлениям об эволюции макросистем и о ее возможных направлениях предшествовали две научные теории, созданные вXIXв., -классическая термодинамикаиучение Ч. Дарвина о биологической эволюции.

Классическая термодинамикаизучает процессы развития визолированных (замкнутых)макросистемах (природнаямакросистема содержит огромное число частиц N (N ≥ N_А, где N_А=6.02·10²³ моль^-1 - число Авогадро); в обществемакросистемойможно считать систему, в которой содержится около 100 элементов и более) вблизи состояниятермодинамического равновесия.Замкнутой называется система, которая не обменивается веществом, энергией или информацией с окружающей средой.

Второе начало, или второй закон термодинамики, устанавливает, что любая замкнутая макросистема с течением времени переходит в состояние равновесия и не может его покинуть без внешних организующих воздействий.

Вравновесном состоянии в системе устанавливается наибольший беспорядок, а упорядоченные процессы отсутствуют. Количественной мерой беспорядка в любой системе является специальная величина, называемаяэнтропией и обозначаемаяS. Понятие энтропии было введено немецким физиком Р.Клаузиусом (1822-1888) в 1865 г. Чем больше беспорядка в системе, тем выше ее энтропия. В физике энтропия определяется как отношение энергии беспорядочных процессов, происходящих в системе, к ее абсолютной температуре (абсолютная температура – это температура, выраженная в кельвинах). Энтропия системы равна сумме энтропий ее частей. Приборов, измеряющих эту величину, нет. Рассчитать энтропию количественно можно только для самых простых систем, близких к состоянию равновесия. Согласно второму закону термодинамики, который также называютзаконом роста энтропии,энтропия замкнутых систем либо не изменяется (в равновесном состоянии), либо возрастает и достигает своего максимального значения в состоянии равновесия. Нулевая энтропия соответствует отсутствию беспорядочных процессов, т.е. абсолютному порядку. Таким образом, энтропия является неотрицательной величиной.

Второе начало термодинамики сформулировано как фундаментальный закон природы французским физиком Н.Л.С.Карно (1796-1832) в 1824 г., Р.Клаузисом в 1850 г. и английским физиком У.Томсоном (бароном Кельвином) (1824-1907) в 1851 г. в различных, но эквивалентных формулировках. Р.Клаузиус сформулировал его следующим образом: невозможен процесс, единственным результатом которого была бы передача тепла от менее нагретого тела к более нагретому. Это утверждение является обобщением опытных данных о том, что в естественных условиях тепло самопроизвольно всегда переходит от системы с большей температурой к системе с меньшей температурой. Согласно формулировке У.Томсона,невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы превращение тепловой энергии (энергии беспорядочного движения атомов и молекул в веществе) в упорядоченную работу (часть тепла при этом будет рассеяна в окружающей среде).Н.Л.С.Карно первым изучил общие принципы работытепловых машин– устройств, преобразующих тепло в механическую работу. В них тепловая энергия перемещается от горячего тела (например, от пара) к холодному (например, к воде), и при этом часть тепла переводится в механическую работу.

Из второго закона термодинамики следует невозможность создания вечного двигателя 2-го рода, т.е. устройства, которое в результате кругового процесса полностью преобразовывало бы теплоту в работу, что эквивалентно совершению полезной работы за счет энергии системы, находящейся в состоянии равновесия. Поэтому чтобы совершить механическую работу за счет тепла, полученного от внешнего источника, необходимо заставить контактировать этот источник (нагреватель) с охладителем. Только в такой неравновесной системе в процессе теплообмена между ее частями (нагревателем, рабочим телом и охладителем) можно часть тепловой энергии перевести в работу.

Из невозможности создания вечного двигателя второго рода следует теорема Карно, сущность которой в том, что коэффициент полезного действия(отношение полезной работы к затраченной энергии) любого теплового двигателя не превосходит величины=(Т₁-Т₂)/Т₁ (Т₁ – температура нагревателя, Т₂– температура охладителя). Величину для максимального КПД тепловых машин Карно получил в ходе исследования возможностей повышения эффективности действия реальных тепловых машин.

Второе начало термодинамики можно также сформулировать и так: нельзя извлечь полезную работу из системы, имеющей один энергетический уровень. Состояние термодинамического равновесия макросистемы характеризуется определенным значением тепловой энергии, которая однозначно связана с температурой системы (температура пропорциональна средней кинетической энергии беспорядочного (теплового) движения молекул). Поэтому извлечь тепло такой макросистемы и перевести его в работу (что эквивалентно созданию вечного двигателя 2-го рода) в соответствии со вторым началом термодинамики невозможно. Но если в системе существуют, например, два энергетических уровня, то энергия может переходить с более высокого уровня на более низкий. В соответствии с выражением для максимального КПД тепловых машин, полученным Карно, в изолированной тепловой машине со временем разность Т₁-Т₂будет уменьшаться, т.к. тепло необратимо будет перетекать от нагревателя к холодильнику, пока их температуры не станут равными. А это означает, что доля запасенной в такой машине тепловой энергии, которую можно перевести в работу, постепенно будет уменьшаться. Доля же тепловой энергии, недоступной для такого превращения, со временем будет увеличиваться. Все это свидетельствует о том, что замкнутая неравновесная система постепенно перейдет в равновесное состояние, энергия которого недоступна для превращения в работу.

Существование в системе различных энергетических уровней можно рассматривать как наличие в ней определенной структуры, порядка. Выравнивание энергий эквивалентно разрушению структуры в системе, т.е. переходу от порядка к беспорядку. Поэтому, когда энергия в системе осуществляет переход в направлении, определяемом вторым началом термодинамики, беспорядок, который соответствует максимальной выравненности и симметрии, в ней увеличивается.

Австрийский физик Л. Больцман (1844-1906) дал статистическое обоснование второго закона термодинамики: природные процессы стремятся перевести макросистему из менее вероятного (с меньшим беспорядком) в более вероятное состояние (с большим беспорядком). Таким образом, любой порядок стремится к беспорядку, а полный беспорядок может перейти в порядок только при внешних воздействиях. Энтропия – статистическое понятие, которое используется для характеристики большой совокупности объектов. Для отдельных элементов это понятие не имеет никакого смысла. Второе начало термодинамики также является статистическим законом. Оно определяет тенденцию развития макросистем в природе и обществе. Однако в отдельных случаях энтропия системы может самопроизвольно уменьшаться. Т.е. отклонения от второго начала термодинамики возможны, но маловероятны.

Статистический (вероятностный) смысл энтропии, который установил Л.Больцман, выражается следующей формулой:

S=k lnГ,

где S – энтропия, k – постоянная Больцмана, равная 1.38·10^-23 Дж/К, Г – термодинамическая вероятность, или статистический вес состояния системы, равный числу способов, которыми можно реализовать данное макросостояние системы. Окончательный вид взаимосвязи энтропии с термодинамической вероятностью в виде представленной формулы установил немецкий физик М.Планк (1858-1947).

Второе начало термодинамики установило необратимость и направленность реальных термодинамических, а затем и большинства других природных процессов. Необратимость означает невозможность вернуться в прошлое (абсолютно точно повторить его), что связано с наличием стрелы времени, т.е. несимметричностью процессов во времени. Например, тепло самопроизвольно не может переходить от более холодного тела к более горячему; все люди с возрастом стареют; никто не наблюдал переход звезд со стадии термоядерного синтеза гелия из водорода на стадию протозвезды; любое взаимодействие измерительного прибора с объектом измерения нарушает его первоначальное состояние и т.д. Необратимый рост энтропии ведет к распаду (смерти) макросистемы.

Вначале закономерности развития макросистем были исследованы при изучении тепловых явлений. Затем было показано, что аналогичные процессы происходят в любых макросистемах в природе и обществе. Второе начало термодинамики устанавливает ограничения на возможность перехода беспорядка в порядок и, в частности, на превращение тепла в работу, и задает общее направление природных и общественных процессов – направление в сторону роста энтропии.

Второй закон термодинамики определяет необратимый характер эволюции замкнутых систем. У.Томсон и Р.Клаузиус, применив его к развитию Вселенной, которую они считали изолированной системой, пришли к выводу о неизбежности ее тепловой смерти,т.е. о неизбежности ее перехода в равновесное состояние. Однако в настоящее время считается, что наша Вселенная не является замкнутой системой (из квантовой теории поля следует, что она взаимодействует с физическим вакуумом; существует популярная современная гипотеза о том, что есть и другие вселенные, с которыми наша Вселенная может взаимодействовать). Поэтому тепловая смерть в ближайшее время ей не грозит.

Большинство систем в природе и обществе далеки от состояния равновесия. Это связано с тем, что создать условия, при которых систему можно считать замкнутой, практически невозможно. В теории английского ученого Ч.Дарвина (1809-1882), изучающей эволюцию живого мира на Земле путем преобразования одних биологических видов в другие, рассматриваются открытые системы, т.е. системы, обменивающиеся веществом, энергией и информацией с окружающей средой. Такие системы находятся вдали от равновесного состояния. Ч.Дарвин указал движущие силы биологической эволюции (наследственность, изменчивость и естественный отбор) и определил, что она идет без целенаправленного внешнего вмешательства преимущественно в направлении усложнения строения и функций живых организмов, т.е. в направлении роста упорядоченности. Таким образом, было установлено, что развитие биосферы на Земле происходит с понижением энтропии.

Объединить эволюцию термодинамическую с эволюцией биологической пытался Л.Больцман. Однако ему не удалось разгадать закономерностей превращения хаоса в порядок.

Согласно современным естественно-научным взглядам, в развитии систем могут наблюдаться две противоположные тенденции - самоорганизация и деградация. Упрощение систем - не синоним времени.Самоорганизация- это самопроизвольное (без внешних организующих воздействий) усложнение структуры системы благодаря взаимодействию большого числа ее подсистем, в результате которого в ней происходит создание более упорядоченных структур. Энтропия системы в процессе самоорганизации понижается.Деградация- это упрощение системы, переход из состояния с большим порядком в состояние с меньшим порядком. Деградация сопровождается разрушением системных структур. Ее предельным случаем является полный распад (смерть) системы, т.е. переход в равновесное состояние. Энтропия деградирующей системы с течением времени возрастает.