Термодинамика и открытые системы

      Контрольная работа по естествознанию

      Вариант 6.

1. Термодинамика  и открытые системы. 

2. Сущность  научного метода познания; эксперимент  - теория - практика.

3. Устойчивость  и неустойчивость системы. Бифуркация.  

ВВЕДЕНИЕ:

ОСНОВНЫЕ  ПОНЯТИЯ И ИСХОДНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

      ТЕРМОДИНАМИКИ.

Наука зародилась очень давно, на Древнем  Востоке, и затем интенсивно развивалась  в Европе. В научных традициях  долгое время оставался недостаточно изученным вопрос о взаимоотношениях целого и части. Как стало ясно в середине 20 века часть может преобразовать целое радикальным и неожиданным образом.

      Из  классической термодинамики известно, что изолированные термодинамические  системы в соответствии со вторым началом термодинамики для необратимых  процессов энтропия системы S возрастает до тех пор, пока не достигнет своего максимального значения в состоянии  термодинамического равновесия. Возрастание  энтропии сопровождается потерей информации о системе.

      Со  временем открытия второго закона термодинамики  встал вопрос о том, как можно  согласовать возрастание со временем энтропии в замкнутых системах с  процессами самоорганизации в живой  и не живой природе. Долгое время  казалось, что существует противоречие между выводом второго закона термодинамики и выводами эволюционной теории Дарвина, согласно которой в  живой природе благодаря принципу отбора непрерывно происходит процесс самоорганизации.

      Противоречие  между вторым началом термодинамики  и примерами высокоорганизованного  окружающего нас мира было разрешено  с появлением более пятидесяти лет  назад и последующим естественным развитием нелинейной неравновесной  термодинамики. Ее еще называют термодинамикой открытых систем. Большой вклад в  становление этой новой науки  внесли И.Р.Пригожин, П.Гленсдорф, Г.Хакен. Бельгийский физик русского происхождения  Илья Романович Пригожин за работы в этой области в 1977 году был удостоен Нобелевской премии.

      Как итог развития нелинейной неравновесной  термодинамики появилась совершенно новая научная дисциплина синергетика - наука о самоорганизации и  устойчивости структур различных сложных  неравновесных систем: физических, химических, биологических и социальных.

      В настоящей работе исследуется самоорганизация  различных систем аналитическими и  численными методами. 

1. ЗАКРЫТЫЕ  И ОТКРЫТЫЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ

      СИСТЕМЫ.

      1. Всякий материальный объект, всякое тело, состоящее из большого числа частиц, называется макроскопической системой. Размеры макроскопических систем значительно больше размеров атомов и молекул. Все макроскопические признаки, характеризующие такую систему и ее отношение к окружающим телам, называются макроскопическими параметрами. К их числу относятся такие, например, как плотность, объем, упругость, концентрация, поляризованность, намагниченность и т.д. Макроскопические параметры разделяются на внешние и внутренние.

      Величины, определяемые положением не входящих в нашу систему внешних тел, называются внешними параметрами, например напряженность  силового поля ( так как зависят  от положения источников поля - зарядов  и токов, не входящих в нашу систему ), объем системы ( так как определяется расположением внешних тел ) и  т.д. Следовательно внешние параметры  являются функциями координат внешних  тел. Величины, определяемые совокупным движением и распределением в  пространстве входящих в систему  частиц, называются внутренними параметрами, например энергия, давление, плотность, намагниченность, поляризованность и т.д. (так как их значения зависят от движения и положения частиц системы и входящих в них зарядов ).

      Совокупность  независимых макроскопических параметров определяет состояние системы, т.е. форму ее бытия. Величины не зависящие  от предыстории системы и полностью  определяемые ее состоянием в данный момент (т.е. совокупностью независимых параметров ), называются функциями состояния.

      Состояние называется стационарным, если параметры  системы с течением времени не изменяются.

Если, кроме  того, в системе не только все  параметры постоянны во времени, но и нет никаких стационарных потоков за счет действия каких-либо внешних источников, то такое состояние  системы называется равновесным ( состояние  термодинамического равновесия ). Термодинамическими системами обычно называют не всякие, а только те макроскопические системы, которые находятся в термодинамическом равновесии. Аналогично, термодинамическими параметрами называются те параметры, которые характеризуют систему в термодинамическом равновесии.

      Внутренние  параметры системы разделяются  на интенсивные и экстенсивные. Параметры  не зависящие от массы и числа  частиц в системе, называются интенсивными (давление, температура и др.). Параметры пропорциональные массе или числу частиц в системе, называются аддитивными или экстенсивными (энергия, энтропия и др.). Экстенсивные параметры характеризуют систему как целое, в то время как интенсивные могут принимать определенные значения в каждой точке системы.

      По  способу передачи энергии, вещества и информации между рассматриваемой  системы и окружающей средой термодинамические  системы классифицируются :

1. Замкнутая  ( изолированная ) система - это  система в которой нет обмена  с внешними телами ни энергией, ни веществом ( в том числе  и излучением ), ни информацией.

2. Закрытая  система - система в которой  есть обмен только с энергией.

3. Адиабатно  изолированная система - это система  в которой есть обмен энергией  только в форме теплоты.

4. Открытая  система - это система, которая  обменивается и энергией, и веществом,  и информацией. 

2. Сущность научного  метода познания;

эксперимент - теория - практика. 

  2. В основе методов естествознания лежит единство его эмпирической и теоретической сторон. Они взаимосвязаны и обусловливают друг друга. Их разрыв, или преимущественное развитие одной за счет другой, закрывает путь к правильному познанию природы - теория становится беспредметной, опыт -

  слепым.

  Методы  естествознания могут быть подразделены на следующие группы:

  1. Общие методы, касающиеся любого предмета, любой науки. Это различные формы метода, дающего возможность связывать воедино все стороны процесса познания, все его ступени, например, метод восхождения от абстрактного к конкретному, единства логического и исторического. Это, скорее, общефилософские методы познания.

  2. Особенные методы касаются лишь одной стороны изучаемого предмета или же определенного приема исследования:

  анализ, синтез, индукция, дедукция. К числу  особенных методов также относятся наблюдение, измерение, сравнение и эксперимент.

  В естествознании особенным методам  науки придается чрезвычайно  важное значение, поэтому в рамках нашего курса необходимо более подробно рассмотреть их сущность.

  Наблюдение - это целенаправленный строгий процесс восприятия предметов действительности, которые не должны быть изменены. Исторически метод наблюдения развивается как составная часть трудовой операции, включающей в себя установление соответствия продукта труда его запланированному образцу.

  Наблюдение  как метод познания действительности применяется либо там, где невозможен или очень затруднен эксперимент (в астрономии, вулканологии, гидрологии), либо там, где стоит задача изучить именно естественное функционирование или поведение объекта (в этологии, социальной психологии и т.п.). Наблюдение как метод предполагает наличие программы исследования, формирующейся на базе прошлых убеждений, установленных фактов, принятых концепций. Частными случаями метода наблюдения являются измерение и сравнение.

  Эксперимент - метод познания, при помощи которого явления действительности исследуются в контролируемых и управляемых условиях. Он отличается от наблюдения вмешательством в исследуемый объект, то есть активностью по отношению к нему. Проводя эксперимент, исследователь не ограничивается пассивным наблюдением явлений, а сознательно вмешивается в естественный ход их протекания путем непосредственного воздействия на изучаемый процесс или изменения условий, в которых проходит этот процесс.

  Специфика эксперимента состоит также в  том, что в обычных условиях процессы в природе крайне сложны и запутанны, не поддаются полному контролю и управлению. Поэтому возникает задача организации такого исследования, при котором можно было бы проследить ход процесса в «чистом» виде. В этих целях в эксперименте отделяют существенные факторы от несущественных и тем самым значительно упрощают ситуацию. В итоге такое упрощение способствует более глубокому пониманию явлений и создает возможность контролировать немногие существенные для данного процесса факторы и величины.

  Развитие  естествознания выдвигает проблему строгости наблюдения и эксперимента. Дело в том, что они нуждаются  в специальных инструментах и  приборах, которые последнее время  становятся настолько сложными, что  сами начинают оказывать влияние  на объект наблюдения и эксперимента, чего по условиям быть не должно. Это  прежде всего относится к исследованиям  в области физики микромира (квантовой  механике, квантовой электродинамике и т.д.).

  Аналогия - метод познания, при котором происходит перенос знания, полученного в ходе рассмотрения какого-либо одного объекта, на другой, менее изученный и в данный момент изучаемый. Метод аналогии основывается на сходстве предметов по ряду каких-либо признаков, что позволяет получить вполне достоверные знания об изучаемом предмете.

  Применение  метода аналогии в научном познании требует определенной осторожности. Здесь чрезвычайно важно четко  выявить условия, при которых  он работает наиболее эффективно. Однако в тех случаях, когда можно разработать систему четко сформулированных правил переноса знаний с модели на прототип, результаты и выводы по методу аналогии приобретают доказательную силу.

  Моделирование - метод научного познания, основанный на изучении каких-либо объектов посредством их моделей. Появление этого метода вызвано тем, что иногда изучаемый объект или явление оказываются недоступными для прямого вмешательства познающего субъекта или такое вмешательство по ряду причин является нецелесообразным. Моделирование предполагает перенос исследовательской деятельности на другой объект, выступающий в роли заместителя интересующего нас объекта или явления. Объект-заместитель называют моделью, а объект исследования - оригиналом, или прототипом. При этом модель выступает как такой заместитель прототипа, который позволяет получить о последнем определенное знание.

  Таким образом, сущность моделирования как  метода познания заключается в замещении объекта исследования моделью, причем в качестве модели могут быть использованы объекты как естественного, так и искусственного происхождения. Возможность моделирования основана на том, что модель в определенном отношении отображает какие-либо стороны прототипа. При моделировании очень важно наличие соответствующей теории или гипотезы, которые строго указывают пределы и границы допустимых упрощений.

     Основными элементами естествознания являются:

• твердо установленные факты;
• закономерности, обобщающие группы фактов;
• теории, как правило, представляющие собой системы закономерностей, в совокупности описывающих  некий фрагмент реальности;
• научные картины мира, рисующие обобщенные образы всей реальности, в которых сведены в некое системное единство все теории, допускающие взаимное согласование.

     Проблема  различия теоретического и эмпирического  уровней научного познания коренится  в разнице способов идеального воспроизведения объективной реальности, подходов к построению системного знания. Отсюда вытекают и другие, уже производные отличия этих двух уровней. За эмпирическим знанием, в частности, исторически и логически закрепилась функция сбора, накопления и первичной рациональной обработки данных опыта. Его главная задача — фиксация фактов. Объяснение же, интерпретация их — дело теории.