Энергия, энтропия, энергетика, законы Пригожина

     Считается, что обращение необратимого процесса сопровождается изменениями в окружающей среде. Данное утверждение требует существенных оговорок, имеющих принципиальное значение.

     Прежде  всего, необходимо различать системы  по их генезису и принципам функционирования. Существует два больших класса систем: класс самоорганизующихся систем и  класс несамоорганизующихся систем.

     В самоорганизующихся динамически равновесных  системах способность совершать  работу сохраняется, при этом значительная часть работы тратится на поддержание  и воссоздание условий для  проведения этой работы, на поддержание  своей структуры и устойчивости функционирования.

     В несамоорганизующихся системах, не обладающих функциями саморегуляции на основе обратной отрицательной связи, протекают  необратимые процессы, которые, согласно второму началу термодинамики, направляют их к некоему конечному состоянию, характеризующемуся отсутствием движения.

     Однако  недопустимо забывать, что состояние  термодинамического равновесия относится  к числу научной абстракции, подобной сформулированному Ньютоном первому  закону взаимодействия тел. Никогда  и нигде в мироздании не могут  создаться условия, при которых  тела находились бы в состоянии покоя  или равномерного и прямолинейного движения, ибо, в противном случае, это означало бы аннигиляцию вещества.

     Все естественным образом формирующиеся  системы эволюционируют благодаря постепенному изменению среды обитания и целесообразному изменению структуры систем.

       Можно полагать, что количество  порядка и беспорядка в мироздании  – величина постоянная, поскольку  постоянной является масса материи.  Порядок переходит в хаос, но  и хаос переходит в порядок.  Причина взаимопереходов хаос-порядок  состоит в том, что материя обладает имманентным свойством взаимодействия, обусловливающим движение. Причем движение не прекращается ни тогда, когда материя собирается в целое, ни когда она делится на части. Первопричиной движения является гравитация. Благодаря ее действию материя, собираясь в целое, из холодного состояния переходит в горячее; делясь на части – из горячего состояния переходит в холодное.

     Все сложные саморегулирующиеся и самоорганизующиеся системы развиваются целесообразно, что является их имманентным свойством. Человек создает различные технические  системы: самолеты, ракеты, спутники  и др., движущиеся в соответствии с заданной им целью и для достижения цели. Абсолютно все они чувствительны к начальным условиям, и с самого начала их заданная и текущая траектории начинают разбегаться, но этот разбег гасится, в силу непрерывно действующего регулятора, корректирующего траекторию движения системы. И если бы не было такой возможности, то человечество не достигло бы тех грандиозных результатов, которыми оно обладает. Стаи перелетных птиц также никогда не достигли бы своих целей, не будь у них способности к корректировке пути в соответствии с заданным состоянием.

     Для систем с развитыми обратными  отрицательными связями хаотическая  динамика не является характерной чертой, что, вообще говоря, подтверждается наличием устойчивых фрактальных закономерностей, проявляющихся как в форме, так  и в содержании – во фрактальной  динамике, например, в автомодельном  режиме развития систем.

     Все множество событий, сопровождающих образование порядка и хаоса, свидетельствует об одном: в состоянии  хаоса когерентность частиц, согласованность  их движения невозможны. Их синергизм  возникает в результате действия порядка более высокого ранга  и асимптотически, с насыщением растет, приближаясь к состоянию динамического  равновесия. И лишь при достижении его все элементы системы «видят» друг друга. Более того, в состоянии динамического равновесия взаимообусловленность и согласованность поведения элементов системы находятся в более совершенной форме, по сравнению с начальным периодом разрушения хаоса и формирования порядка. Другое дело, что с момента начала формирования порядка и до стадии достижения предельного цикла развития происходят самые существенные изменения формирующейся системы. С приближением к динамическому равновесию, к максимально возможной при заданных условиях согласованности, эти изменения уменьшаются, и в состоянии динамического равновесия они пренебрежительно малы. Тем не менее, в этом состоянии происходит обмен веществом, энергией и информацией между системой и средой на уровне, достаточном для поддержания данного состояния неизменным. Видимо, разногласия во взглядах на эти явления следуют из того, что в условиях состояния равновесия достаточно трудно или невозможно раскрыть динамику переходного режима развития от хаоса к порядку и от него к хаосу. Однако надо признать, что состояние равновесия для всех самоорганизующихся систем является аттрактивной целью.

     Описанный механизм самоорганизации сложных  структур действует в глобальном масштабе. Им определяется как формирование природных систем, так и развитие и функционирование биосистем, цивилизации, а также и человеческая деятельность по созданию искусственных структур различной сложности, принципы управления которыми не отличаются от действующих  в природе. Человек достиг фантастических высот в своей конструктивной деятельности благодаря созданию систем с регулятором, постоянно отслеживающим  ошибку, исправляющим путь к цели и  действующим на основе обратной отрицательной  связи. Именно таковыми системами являются самоорганизующиеся целостные образования, которые в своем развитии постоянно  контролируют величину рассогласования  между заданным и текущим состояниями, направляя путь к цели – к аттрактору. Даже в самых точных часах, если их не корректировать, со временем ошибка нарастает до неприемлемой. Достаточно было Лоренцу всякий раз, заметив  расхождение, вводить коррективы, и  хаос был бы недостижимым.

     Таким образом, суть изложенного позволяет  категорически не согласиться с  распространенным утверждением, что  только в условиях высокой энтропии зарождается самоорганизация, в  результате которой, якобы, происходит развитие неоднородностей «в первоначально  безжизненной равновесности». То есть, первопричиной самоорганизации является существование имманентно присущего всей материи организованного потока энергии и неотделимого от него потока вещества и информации. Самоорганизация направлена не против существующего в абстракциях безжизненного статического равновесия, а к реально существующему состоянию динамического равновесия, характеризующего установившийся режим развития самоорганизующихся систем.

     Все технические произведения человека есть части одной самоорганизующейся системы – человек-машина. Историю самоорганизации этой системы можно проследить на саморазвивающихся процессах создания любых современных технических систем. И во всех случаях самоорганизацию побуждает не энтропия, а существование законов – первоначальных, исходных порядков, неотделимых от вещества и энергии, следовательно, и информации.

     В исследованиях по теории синергетики  в последние десятилетия выявляются полярные представления по интерпретации известных фактов, характеризующих существо взаимопереходов «хаос-порядок». Общепринятые положения опираются на представления, разработанные И.Пригожиным. Согласно ему, «…когерентность поведения молекул возрастает в огромной степени, если они находятся вдали от равновесия. Вдали от равновесия каждая часть системы «видит» всю систему целиком». При этом имеется в виду не динамическое подвижное равновесие, а статическое, в чем, на наш взгляд, и кроется ошибочность толкования идей Пригожина и интерпретации результатов исследования процессов самоорганизации в различных процессах: физических, биологических, социально-экономических и пр. Понятие «статическое равновесие» является абстрактным, если говорить о самоорганизующихся системах; в них нет начала, называемого «статическим состоянием». Но если бы оно было, тогда, вопреки положениям последователей Пригожина, это действительно хаотическое состояние молекул самопроизвольно не могло бы перейти в упорядоченное движение. Оно могло бы стать таковым тогда и только тогда, когда это неупорядоченное движение молекул находилось бы под упорядоченным действием внешних сил.

     На  общепринятых положениях теории самоорганизации  строится интерпретация современных  политических и социально-экономических событий в России, что обусловливает ее некорректность. 
 
 

2. ПРАКТИЧЕСКАЯ  ЧАСТЬ

     №1. Уклон участка дороги равен 1 м на каждые 20 м пути. Спускаясь под уклон при выключенном  двигателе, автомобиль движется равномерно со скоростью 60 км/ч. Определить мощность двигателя автомобиля, поднимающего по этому уклону с той же скоростью. Масса автомобиля    1,5 т.

      Дано:   Решение:

      h=1 м 

      S=20 м 

      =16,667м/с 

     m=1500 кг 

     g=9,8 м/с²  F=m*g

       

     N-? =0,05

      F=1500кг*9,8 м/с²=14700Н

      А=1500кг*9,8 м/с²*0,05=14700Дж 

      Ответ: N=7350Вт. 

     №2. Вычислить давление 1 моль молекул газа, занимающего при температуре 300 К объем 1 л.

      Дано:    Решение:

     Т=300К  По формуле Менделеева-Клапейрона:

     V=0.001м³ P*V=*R*T

     =1 моль 

     R=8,314Дж/Моль*К =2494200Па=2,5МПа

       Ответ: Р=2,5МПа.

     Р-?

     №3. Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул газа при температуре 5000 К равна 1,6∙10^-23Дж. Какова эта энергия при температуре -273 ⁰С и 1000 ⁰С?

      Дано:    Решение:

     Т₁=5000К 

     Е_{ср к1}=1,6*10^-23Дж 1,6*10^-23Дж=*1,38*10^-23Дж/К*5000К

     k=1,38*10^-23Дж/К 

     Т₂=0К 

     Т₃=1273К 

 

     Е_{ср к2}-? Ответ: Е_{ср к2}=0; Е_{ср к3}=0,45*10^-23Дж.

     Е_{ср к3}-? 

     №4. Даны два шарика массой 1 г каждый. Какой заряд нужно сообщить каждому шарику, чтобы сила взаимного отталкивания зарядов на шариках уравновесила гравитационную силу взаимного притяжения шариков?

      Дано:    Решение:

     m=0,001кг По формуле кулоновской силы притяжения заря-

      =8,85*10^-12Ф/м  дов:  

      G=6,67*10^-11H*м²/кг² По формуле гравитационной силы: 

     q-?  
 
 
 

= =86,1*10^-15Кл

Ответ: q=86,1*10^-15Кл. 

№5. Проводник длиной 0,1 м находится в однородном магнитном поле с индукцией 20 мТл. Определить силу, действующую на проводник, если сила тока в нем 3 А, а угол между направлением тока и магнитной индукцией 30⁰.

      Дано:   Решение:

     l=0,1м 

     I=3А 

        F_A=3А*20*10^-6Тл*0,1м*0,5=3*10^-6Н

      В=20*10^-6Ф Ответ: F_A=3*10^-6Н.

     F_A-? 

     №6. Жесткость пружины рессор вагона 481 кН/м. Масса вагона с грузом 64 т. Вагон имеет четыре рессоры. При какой скорости вагон начнет сильно раскачиваться вследствие толчков на стыках рельс, если длина рельса 12,8 м?

      Дано:   Решение:

     k=481*10³Н/м 

     m=64*10³кг =12,8*5,5=70,4м/с

      l=12,8м Ответ: =70,4м/с.

     -?

     №7. На мыльную пленку (n = 1,3) падает нормально пучок лучей белого света. Какова минимальная толщина пленки, если в отраженном свете она представляется красной (λ = 7000 Å)? 
 
 

      Дано:   Решение:

        

      n=1,3 

     d_min-?  

      Ответ: d_min=1346,15. 

     №8. Для улучшения цвета белья на фабриках-прачечных его обрабатывают 0,3%-ным раствором ультрамарина в воде. Рассчитать теоретический расход ультрамарина для обработки 1 т белья, если расход раствора 0,6 л на 1 кг белья.

      Дано: Решение:

     n_y=0,3% m_p=m_б*Р_р*