Термодинамика возникла из обобщения многочисленных фактов, описывающих явления передачи, распространения и превращения тепла. Самым очевидным является тот факт, что распространение тепла представляет собой необратимый процесс.
Первый закон термодинамики – это закон сохранения энергии.
Второй закон термодинамики: невозможно осуществить процесс, единственным результатом которого было бы превращение тепла в работу при постоянной температуре. В наиболее простой форме этот закон можно сформулировать в следующей форме: тепло не может перетечь самопроизвольно от холодного тела к горячему.
Немецкий физик Р. Клаузиус ввел понятие энтропии, а австрийский физик Л.Больцман интерпретировал его как изменение порядка в системе. Когда энтропия системы возрастает, то соответственно усиливается беспорядок в системе.
С использованием понятия энтропии второй закон термодинамики формулируется следующим образом: энтропия замкнутой системы, то есть системы, которая не обменивается с окружением ни энергией, ни веществом, постоянно возрастает. Такие системы эволюционируют в сторону увеличения в них беспорядка, пока не достигнут точки термодинамического равновесия.
Такое понятие об эволюции системы отличается от понятия эволюции, которое лежало в основе теории Ч.Дарвина. Дарвинская эволюция направлена на выживание более совершенных организмов и усложнение их организации. В термодинамике эволюция связывалась с дезорганизацией. Это противоречие оставалось неразрешимым до 60-х годов двадцатого века, когда появилась неравновесная термодинамика, которая опирается на концепцию необратимых процессов.
Кроме того, имелось и второе противоречие. Классическая термодинамика оказалась неспособной решить и космологические проблемы. Р. Клаузи-ус распространил законы термодинамики и на Вселенную: энергия Вселенной всегда постоянна; энтропия Вселенной всегда возрастает. Следовательно, все процессы направлены в сторону достижения состояния термодинамического равновесия, а значит, тепловая смерть Вселенной неизбежна.
Только в 60-е годы двадцатого века стало ясно, что закрытые системы – не более чем идеализация, а все реальные системы являются открытыми, то есть обмениваются с окружением веществом, энергией, информацией.
В открытых системах также производится энтропия, т.к. в них происходят необратимые процессы, но энтропия в этих системах не накапливается, а выводится в окружающую среду. Таким образом, открытые системы живут за счет заимствования порядка из внешней среды. Отработанная энергия рассеивается в окружающей среде и взамен ее из среды извлекается новая, свежая энергия.
Материальные структуры, способные рассеивать энергию, называются диссипативными. С поступлением новой энергии или вещества неравновес-ность системы возрастает. Прежняя взаимосвязь между элементами системы, которая определяет ее структуру, разрушается, между элементами системы возникают новые связи, которые приводят к кооперативным процессам, то есть к коллективному поведению ее элементов. Наглядной иллюстрацией процессов самоорганизации может служить работа лазера, с помощью которого можно получать мощное оптическое излучение. Хаотические колебательные движения его частиц благодаря поступлению энергии извне, при достаточной его «накачке», приводятся в согласованное движение, которое и обеспечивает мощность лазерного излучения.
Герман Хакен, изучая процессы самоорганизации в лазере, назвал новое направление исследований синергетикой. Самоорганизация в химических реакциях исследовалась Белоусовым и Жаботинским. Бельгийский ученый Илья Пригожин создал теоретическую модель самоорганизующихся систем, которой дал название «брюсселятор».
Открытие самоорганизации в простейших системах неорганической природы имеет огромное научное и философское значение. Оно показывает, что такие процессы могут происходить в фундаменте самого «здания материи», то есть способность к самоорганизации является фундаментальным свойством материи. НЕОБХОДИМЫЕ УСЛОВИЯ ДЛЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ САМООРГА-НИЗАЦИИ В СИСТЕМЕ
Система должна быть открытой. Открытая система должна находиться достаточно далеко от точки термодинамического равновесия.
Фундаментальным принципом самоорганизации служит возникновение и усиление порядка через флуктуации. Такие флуктуации в самом начале подавляются и ликвидируются системой. Но в открытых системах благодаря усилению неравновесности эти отклонения со временем возрастают и приводят к расшатыванию прежнего порядка и возникновению нового порядка.
Возникновение самоорганизации опирается на положительные обратные связи, благодаря которым изменения, появляющиеся в системе, не устраняются, а накапливаются и усиливаются. Это приводит к возникновению нового порядка и структуры.
Самоорганизация может начаться лишь в системах, обладающих достаточным количеством взаимодействующих между собой элементов. Иначе эффекты от синергетических взаимодействий будут недостаточны для появления кооперативного поведения элементов системы. Это необходимые, но далеко недостаточные условия для возникновения самоорганизации. Чем выше мы поднимаемся по эволюционной лестнице развития, тем более сложными и многочисленными оказываются факторы, которые играют роль в самоорганизации.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему