Зарождение эмпирического научного знания. Понятии и общая характеристика энтропии

     Впервые понятие энтропии было введено немецким физиком Рудольфом Клаузиусом в  середине прошлого века. Он и английский лорд Вильям Томсон (Кельвин) открыли  второе начало термодинамики и сделали  из него неожиданные выводы. Это  начало устанавливает наличие в  природе фундаментальной асимметрии, то есть однонаправленности всех происходящих в ней самопроизвольных процессов. Об этой асимметрии свидетельствует все окружающее нас: горячие тела с течением времени охлаждаются, однако холодные сами по себе отнюдь не становятся горячими; прыгающий мяч в конце концов останавливается, однако покоящийся мяч самопроизвольно не начнет подскакивать. Здесь проявляется то свойство природы, которое Кельвин и Клаузиус смогли отделить от свойства сохранения энергии. Оно состоит в том, что, хотя полное количество энергии должно сохраняться в любом процессе, распределение имеющейся энергии изменяется необратимым образом. Второе начало термодинамики указывает естественное направление, в котором происходит изменение распределения энергии, причем это направление совершенно не зависит от ее общего количества. При всех превращениях различные виды энергии в конечном счете переходят в тепло, которое, будучи предоставлено себе, рассеивается в мировом пространстве. Так как такой процесс рассеяния тепла необратим, то рано или поздно все звезды погаснут, все активные процессы в Природе прекратятся, и наступит состояние, которое Клаузиус назвал "тепловой смертью" Вселенной.

     В ходе рассуждений о "тепловой смерти" Вселенной Клаузиус ввел некоторую  математическую величину, названную  им энтропией. По сути дела энтропия служит мерой степени беспорядка, степени  хаотичности состояния физической системы. Второе начало термодинамики гласит, что энтропия изолированной физической системы никогда не убывает, - в крайнем случае она может сохранять свое значение неизменным. 

     Принцип возрастания энтропии 

     Всякие  естественные процессы сопровождаются возрастанием энтропии Вселенной; такое  утверждение часто называют принципом  энтропии. Также энтропия характеризует  условия, при которых запасается энергия: если энергия запасается при  высокой температуре, ее энтропия относительно низка, а качество, напротив, высоко. С другой стороны, если то же количество энергии запасается при низкой температуре, то энтропия, связанная с этой энергией, велика, а ее качество - низко.

     Возрастание энтропии является характерным признаком  естественных процессов и соответствует  запасанию энергии при более  низких температурах. Аналогично можно  сказать, что естественное направление  процессов изменения характеризуется  понижением качества энергии.

     Такое истолкование связи энергии и  энтропии, при котором энтропия характеризует условия запасания и хранения энергии, имеет большое практическое значение. Первое начало термодинамики утверждает, что энергия изолированной системы (а возможно, и всей Вселенной) остается постоянной. Поэтому, сжигая ископаемое топливо - уголь, нефть, уран - мы не уменьшаем общих запасов энергии. В этом смысле энергетический кризис вообще невозможен, так как энергия в мире всегда будет оставаться неизменной. Однако, сжигая горсть угля и каплю нефти, мы увеличиваем энтропию мира, поскольку все названные процессы протекают самопроизвольно. Любое действие приводит к понижению качества энергии Вселенной. Поскольку в промышленно развитом обществе процесс использования ресурсов стремительно ускоряется, то энтропия Вселенной неуклонно возрастает. Нужно стремиться направить развитие цивилизации по пути снижения уровня производства энтропии и сохранения качества энергии.

       Принцип возрастания энтропии  сводится к утверждению, что  энтропия изолированных систем  неизменно возрастает при всяком  изменении их состояния и остается  постоянной лишь при обратимом  течении процессов: 
Оба вывода о существовании и возрастании энтропии получаются на основе какого-либо постулата, отражающего необратимость реальных процессов в природе. Наиболее часто в доказательстве объединенного принципа существования и возрастания энтропии используют постулаты Р.Клаузиуса, В.Томпсона-Кельвина, М.Планка.

     В действительности принципы существования  и возрастания энтропии ничего общего не имеют. Физическое содержание: принцип  существования энтропии характеризует  термодинамические свойства систем, а принцип возрастания энтропии - наиболее вероятное течение реальных процессов. Математическое выражение принципа существования энтропии - равенство, а принципа возрастания - неравенство. Области применения: принцип существования энтропии и вытекающие из него следствия используют для изучения физических свойств веществ, а принцип возрастания энтропии - для суждения о наиболее вероятном течении физических явлений. Философское значение этих принципов также различно.

     В связи с этим принципы существования  и возрастания энтропии рассматриваются  раздельно и математические выражения  их для любых тел получаются на базе различных постулатов.

     Вывод о существовании абсолютной температуры  T и энтропии s как термодинамических функций состояния любых тел и систем составляет основное содержание второго закона термодинамики и распространяется на любые процессы - обратимые и необратимые.  

   Второе  закон термодинамики 

   Второе  начало термодинамики определяет важную тенденцию в эволюции физического  мира – с течением времени в  замкнутой изолированной системе  энтропия должна возрастать. В результате энергии распределяются по рангам так, что высший занимают те, которые способны превратиться в большее число энергии. Тогда низший ранг останется теплоте, превращения которой ограничены принципом Карно.

   Энтропия  связана с вероятностями: S = k InW. Здесь W выражает число микросостояний, определяемое квантовыми законами. Рассмотрим, например, некоторую сложную систему и  проследим ее эволюцию. Эта неустойчивая система начнет разрушаться, переходя во все более вероятные и устойчивые состояния. Энтропия при этом, как  и вероятность будет расти. Пусть  эта система представляет собой  находящийся в сосуде газ, состоящий  из огромного числа беспрерывно  движущихся молекул. Мы не знаем точного  положения и скорости в каждый момент времени каждой частицы газа. Нам могут быть известны только макропараметры: давление, объем, температура и состав газа. Эти величины можно измерить, вычислить энтропию системы и число «микроскопических комплекций». Формула, приведенная выше, связывает энтропию с хаосом. Слева стоит ключевое понятие второго начала термодинамики, характеризующее любые самопроизвольные изменения системы, а справа – величина, связанная с хаосом и служащая мерой рассеяния энергии, ее деградации во вселенной.

   Фактически, мы должны рассчитать число способов, которыми можно осуществить внутренние перестройки в системе, чтобы  наблюдатель не заметил изменений, или чтобы они не изменили характеристики макросостояния системы. При этом предполагается неотличимость атомов друг от друга.

   Если  в системе, состоящей из одного атома, произошло его энергетическое возбуждение, нам может быть известно об этом по значению температуры. При этом возможно только одно распределение возбуждения в системе, W = 1, логарифм единицы равен нулю, и S = 0. Такой локализованный сгусток энергии обладает нулевой энтропией, или идеальным качеством. Если возбуждение передается по системе, и мы не можем отличить, какому именно атому, то в системе из ста атомов это

   может быть осуществлено ста способами, т. е. W = 100, In 100 = 4,61, отсюда и S = 4,61k. Итак, энтропия системы выросла, система стала хаотичной, поскольку мы не знаем, где находится в каждый момент возбужденный атом.

  Следует обратить внимание на то, что в формулу  Больцмана входит медленно меняющаяся функция, и, если In 100 = 4,61 и In 1500= 7,31, то логарифмы  от числа Авогадро равен всего 54,7 или In 1023 = 54,7.

  Если система  может быть представлена в виде двух взаимодействующих подсистем, то максимум энтропии достигается, когда обе  подсистемы приходят в тепловое равновесие. При отсутствии перехода энергии  из одной подсистемы в другую, такое  состояние может долго существовать, нарушаемое только флуктуациями. Но тепловое равновесие – равновесие динамическое: в его основе лежит непрерывное  движение, не воспринимаемое внешним  наблюдателем. Это состояние, соответствующее  максимуму энтропии, может быть достигнуто максимальным числом способов, и чем  большим числом способов оно достигается, тем выше его вероятность.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  Теория  Опарина о происхождении  жизни на Земле. 

  Проблема  возникновения жизни на Земле  издавна не дает покоя многим ученым. С тех пор, как человек начал  задаваться вопросом, откуда произошло  все живое прошло много лет, и  за все это время рассматривалось  множество гипотез и предположений  о зарождении жизни. Религиозная  теория, теория самозарождения, теория панспермии, теория вечного существования  жизни... Человечество до сих пор  не может до конца разгадать эту  загадку. Меня всегда интересовали вопросы, ответы на которые точно неизвестны и существуют только в виде предположений, теорий. Одной из таких проблем  является происхождение жизни. С  кратким содержанием этих теорий нас знакомили еще в школе, сейчас у меня появилась возможность  рассмотреть одну из них, наиболее близкую  мне, наиболее вероятную, подробнее  и глубже, разобраться в ее положениях, приведенных доказательства

  В развитии учений о происхождении жизни  существенное место занимает теория, утверждающая, что все живое происходит только от живого - теория биогенеза. Эту  теорию в середине ХIХ века противопоставляли ненаучным представлениям о самозарождении организмов (червей, мух и др.). Однако как теория происхождения жизни - биогенез несостоятелен, поскольку принципиально противопоставляет живое неживому, утверждает отвергнутую наукой идею вечности жизни.

  Теория, предложенная А. И. Опариным в первой половине ХХ века, основана на предположении о  химической эволюции, которая постепенно переходит к биохимической, а  затем к биологической эволюции. Образование клетки явилось сложнейшим явлением. Но оно и положило начало развитию жизни и всему ее многообразию. Абиогенез - идея о происхождении  живого из неживого - исходная гипотеза современной теории происхождения  жизни. Это привело к возрождению  теории самозарождения. Новая версия получила название теория химической эволюции.

  Труды А.И. Опарина посвящены изучению биохимических  основ переработки растительного  сырья, вопросам действия ферментов  в живом организме и проблеме возникновения жизни на Земле. Его  работы заложили основы технической  биохимии СССР. Исследуя действия ферментов  в различных растениях, А.И. Опарин пришел к выводу, что в основе технологии ряда производств, имеющих  дело с сырьем растительного происхождения, лежит биологический катализ.

      Разрабатывая теоретические основы биологии, А.И. Опарин выдвинул теорию возникновения жизни на Земле. На основе фактических материалов из области астрономии, химии, геологии и биологии А.И. Опарин предложил гипотезу развития материи, объясняющую возникновение жизни на Земле. Проблему происхождения жизни он рассматривал с материалистической позиции и объяснял возникновение жизни как определенный и закономерный качественный этап в историческом развитии материи.                                        

  Уже ранние исследования А.И.Опарина в области  сравнительной биохимии окислительно-восстановительных  процессов у простейших водорослей привели его к изучению эволюционного  развития жизни и разработке основных положений проблемы происхождения  жизни на Земле. В те годы (в начале XX века) среди естествоиспытателей  проблема происхождения жизни считалась  проблемой, не допускающей экспериментального подхода и не разрешимой методами естественных наук. Крупнейшей научной  за слугой А.И.Опарина является то, что  он убедительно показа возможность  научного экспериментального подхода  к исследованию проблемы происхождения  жизни. Он изложил свои идеи в книге  «Происхождение жизни», опубликованной в Советском Союзе в 1924 году и  переведенной на английский язык в 1938 году. Пик исследований А. И. Опарина  и его соавторов приходился на 50-60-е годы, хотя его книга «Происхождение жизни» была опубликована раньше.

  Появление жизни А.И. Опарин рассматривал как  единый естественный процесс, который  состоял из протекавшей в условиях ранней Земли первоначальной химической эволюции, перешедшей постепенно на качественно  новый уровень - биохимическую эволюцию.

  1)Первобытная Земля имела разреженную (то есть лишенную кислорода) атмосферу. Когда на эту атмосферу стали воздействовать различные естественные источники энергии - например, грозы и извержения вулканов - то при этом начали самопроизвольно формироваться основные химические соединения, необходимые для органической жизни.

  С самого начала этот процесс был связан с  геологической эволюцией. В настоящее  время принято считать, что возраст  нашей планеты составляет примерно 4,3 млрд. лет. В далеком прошлом  Земля была очень горячей (4000-8000 °С). По мере остывания образовывалась земная кора, а из воды, аммиака, двуокиси углерода и метана - атмосфера. Такая атмосфера  называется «восстановительной», поскольку  не содержит свободного кислорода. При  падении температуры на поверхности  Земли ниже 1000C образовались первичные  водоемы. Под действием электрических  разрядов, тепловой энергии, ультрафиолетовых лучей на газовые смеси происходил синтез органических веществ-мономеров, которые локально накапливались  и соединялись друг с другом, образуя  полимеры. Можно допустить, что тогда  же одновременно, с полимеризацией шло образование надмолекулярных  комплексов-мембран.