Контрольная работа по "Физике"

    В открытых системах также производится энтропия, поскольку в них происходят необратимые процессы, но

    энтропия  в этих системах не накапливается, как  в закрытых системах, а выводится  в окружающую среду. Поскольку энтропия характеризует степень беспорядка в системе, постольку можно сказать, что открытые системы живут за счет заимствования порядка из внешней  среды.

Открытые  системы и неравновесная  термодинамика.

    Классическая  термодинамика в своем анализе  систем в значительной мере абстрагировалась от их реальной сложности, в частности, отвлекалась от их взаимодействия с  внешней средой. Поэтому ее исходное понятие закрытой, или изолированной, системы не отражало действительного положения вещей и приводило к противоречию с результатами исследований в биологии и социальных науках. Действительно, эволюционная теория Дарвина свидетельствовала, что живая природа развивается в направлении усовершенствования и усложнения новых видов растений и животных. История, социология, экономика и другие социальные и гуманитарные науки показывали, что в обществе, несмотря на отдельные зигзаги и движение вспять, в целом наблюдается также прогресс.

    В противоположность этому классическая термодинамика утверждала, что физические и другие системы неживой природы  эволюционируют в направлении усиления их беспорядка, разрушения и дезорганизации. В таком случае становилось непонятным, каким образом из неживой природы, системы которой имеют тенденцию  к дезорганизации, могла появиться  когда-либо живая природа, где системы, напротив, стремятся к совершенствованию  и усложнению своей организации. Все это показывало, что результаты исследования классической термодинамики  находились в явном противоречии с тем, что было хорошо известно из биологии, истории, социологии и других общественных наук.

    Важно также подчеркнуть, что сами понятия  времени и эволюции по-разному  интерпретировались в прежней термодинамике, с одной стороны, и в биологии, социологии и истории, с другой. В  самом деле, так называемая стрела времени связывалась в термодинамике  с возрастанием энтропии системы, с  усилением ее беспорядка и дезорганизации, тогда как в биологии и социологии она рассматривалась, наоборот, с  точки зрения становления и совершенствования  системы, увеличения в ней порядка  и организации. Если эволюция в неживой  природе истолковывалась как  постепенное движение систем к их разрушению и дезорганизации, то в  живой природе, наоборот, как медленное  поступательное движение к усилению организации систем, их совершенствованию  и усложнению. Недаром же вскоре после того как было сформулировано второе начало термодинамики, появились мрачные прогнозы о "тепловой смерти" Вселенной.

    В чем же заключаются причины такого противопоставления точек зрения на понятия времени и эволюции? Как  можно было разрешить противоречие, возникшее между представлениями  классической термодинамики и биологии, социологии и истории? Очевидно, что  для этого необходимо было пересмотреть те исходные понятия и принципы, которых придерживалась старая, классическая термодинамика, потому что они не соответствовали действительности, нашим наблюдениям, а также результатам  исследований в биологических и  социальных науках. Опыт и практическая деятельность свидетельствовали, что  понятие закрытой, или изолированной, системы представляет собой далеко идущую абстракцию и потому она слишком  упрощает и огрубляет действительность, поскольку в ней трудно или  даже невозможно найти системы, которые  бы не взаимодействовали с окружающей средой, состоящей также из систем. Поэтому в новой термодинамике  место закрытой, изолированной, системы  заняло принципиально иное фундаментальное  понятие открытой системы, которая способна обмениваться с окружающей средой веществом, энергией и информацией. Взаимодействуя со средой, открытая система не может оставаться замкнутой, ибо она вынуждена заимствовать извне либо новое вещество или свежую энергию и одновременно выводить в среду использованное вещество и отработанную энергию. Поскольку между веществом (массой) и энергией существует глубокая взаимосвязь, выражаемая уравнением Эйнштейна: Е = тс², то можно сказать, что в ходе своей эволюции система постоянно обменивается энергией с окружающей средой, а, следовательно, производит энтропию. Но в отличие от закрытых систем эта энтропия, характеризующая степень беспорядка в системе, не накапливается в ней, а удаляется в окружающую среду. Это означает, что использованная, отработанная энергия рассеивается в окружающей среде и взамен ее из среды извлекается новая, свежая энергия, способная производить полезную работу.

    Такого  рода материальные структуры, способные  диссипиировать, или рассеивать, энергию, называются диссипативными. Отсюда становится ясным, что открытая система не может быть равновесной, потому что ее функционирование требует непрерывного поступления из внешней среды энергии или вещества, богатого энергией. В результате такого взаимодействия система, как указывает Шредингер, извлекает порядок из окружающей среды и тем самым вносит беспорядок в эту среду.

    Очевидно, что с поступлением новой энергии  или вещества неравновесность в  системе возрастает. В конечном счете  прежняя взаимосвязь между элементами системы, которая определяет ее структуру, разрушается. Между элементами системы возникают новые связи, которые приводят к кооперативным процессам, т. е. к коллективному поведению ее элементов. Так схематически могут быть описаны процессы самоорганизации в открытых системах.

    Наглядной иллюстрацией процессов самоорганизации  может служить работа лазера, с  помощью которого можно получать мощные оптические излучения. Не вдаваясь в детали его функционирования, отметим, что хаотические колебательные  движения составляющих его частиц благодаря  поступлению энергии извне, при  достаточной его "накачке," приводятся в согласованное движение. Они начинают колебаться в одинаковой фазе и вследствие этого мощность лазерного излучения многократно увеличивается. Этот пример свидетельствует, что в результате взаимодействия со средой за счет поступления дополнительной энергии прежние случайные колебания элементов такой системы, как лазер, превращаются в когерентное, согласованное коллективное движение. На этой основе возникают кооперативные процессы и происходит самоорганизация системы.

    Изучая  процессы самоорганизации, происходящие в лазере, немецкий физик Герман Хакен (р. 1927) назвал новое направление  исследований синергетикой, что в переводе с древнегреческого означает совместное действие, или взаимодействие, и хорошо передает смысл и цель нового подхода к изучению явлений.

    Другим  примером может служить самоорганизация, которая возникает в химических реакциях. В них она связана  с поступлением извне новых реагентов, т. е. веществ, обеспечивающих продолжение  реакции, с одной стороны, и выведение  в окружающую среду продуктов  реакции, с другой стороны. Внешне самоорганизация  проявляется здесь в появлении  в жидкой среде концентрических  волн или в периодическом изменении  цвета раствора, например, с синего на красный и обратно ("химические часы"). Эти реакции впервые  были экспериментально изучены отечественными учеными Б. Белоусовым и А. Жаботинским. На их экспериментальной основе бельгийскими учеными во главе И. Р. Пригожиным (русским по происхождению, р. 1917 г.) была построена теоретическая модель, названная брюсселятором (по имени столицы Бельгии — Брюсселя). Эта модель легла в основу исследований новой термодинамики, которую часто называют неравновесной, или нелинейной. 
 
 
 
 
 
 
 

Задание 4:

Пищевая пирамида в тундре

1. Почва - первый сектор пищевой пирамиды. Содержит минеральные вещества и воду, нужные для питания растений.
2. Ягель - Род лишайника маленькие серые кустики, растущие в тундре и на торфяных болотах, так наз. олений мох. Им питаются лемминги и северные олени.
3. Лемминги - родственники морских свинок и полевок — основное звено пищевой пирамиды тундры. Ими питаются все полярные хищники, и даже травоядный северный олень в голодное время может съесть лемминга.
4. Северный олень -единственное крупное травоядное в тундре Евразии. Песец - млекопитающее семейства волчьих(хищное). Служат пищей для белых медведей.
5. Белый медведь - самый крупный хищник тундры и арктической зоны. Он охотится на тюленей, телят северных оленей и даже на моржей. Иногда когда нечего есть он может охотиться и на песцов.