CC BY
63
Секция
«КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ»
УДК 669.713.7
А. О. Владимирова Научный руководитель - В. П. Жереб Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф, Решетнева, Красноярск
ПРИНЦИП ВОЗРАСТАНИЯ ЭНТРОПИИ И ЕГО РОЛЬ В СТАНОВЛЕНИИ ФУНДАМЕНТАЛЬНОГО ПРИНЦИПА ДИССИПАЦИИ
Показано, что принцип возрастания энтропии, выделяя хаос как сущность реальности, при максимальном уровне обобщения становиться фундаментальным научным принципом диссипации.
Второй закон термодинамики, сформулированный С. Карно в 1824 году и наложивший запрет на существование вечного двигателя второго рода, имел фундаментальное значение для становления термодинамики как теории тепловых машин. Развитая на ее основе техническая термодинамика определила современный облик энергетики и всей современной цивилизации. Другая, наиболее общая, формулировка второго закона термодинамики, предложенная в 1865 году Р. Клаузиусом в форме принципа возрастания энтропии, впервые указывает на существование в термодинамической системе и, вообще, систем любой природы особого состояния - состояние равновесия, к которому эволюционируют все другие состояния системы. Таким образом, в череде возможных состояний системы как абстрактного объекта теории, впервые выделяется особое состояние равновесия, к которому эволюционируют все остальные состояния, отмечая имеющуюся в природе тенденцию к однородности -самопроизвольному устранению различий в разных частях системы, независимо от масштаба ее рассмотрения. Эта тенденция к максимальному хаосу, осуществляется не за счет какого-либо внешнего воздействия, а исключительно за счет собственной внутренней энергии системы. Выбор Р. Клаузиусом изолированной системы для формулировки этого принципа специально подчеркивает последнее обстоятельство. Из
сказанного следует, что состояние равновесия является типичным аттрактором изолированной системе (рис. 1) единственным критерием достижения которого в изолированной системе является максимум энтропии ^ = 0).
В предложенной Клаузиусом форме второго закона термодинамики впервые вводится ранее неизвестная науке функция состояния термодинамической системы - энтропия, которая обозначается латинской буквой £ и является количественной характеристикой (т. е. мерой) однородности, беспорядка или хаоса в системе. У многих, впервые знакомящихся с понятием энтропии, вызывает удивление то, что эти три слова - однородность, беспорядок и хаос - являются синонимами и обозначают одно и то же состояние. Однако наш жизненный опыт, наши наблюдения за установлением однородности в реальной жизни показывают, что этот феномен связан с процессами рассеяния - будь то расходящиеся волны на воде после падения камня или появление пыли в помещении. В более общей форме можно заключить, что однородность начинается со смешения всего, что есть в системе. Таким образом, принцип возрастания энтропии, как и все фундаментальные положения теории, для достаточно зрелого человека очевиден и не требует доказательств, поскольку является результатом обобщения жизненного опыта всего человечества.
Х, Состояние
Равновесие
Рис. 1. Изменение энтропии £ и эволюция состояний x в изолированной системе
Рис. 2. Закон Хаббла: линейная зависимость скорости удаления галактик от расстояния до них
Секция «Концепции современного естествознания»
Осознание гениальным Р. Клаузиусом сущностной природы хаоса и фундаментального характера принципа возрастания энтропии позволило ему распространить этот принцип на всю Вселенную в виде «драматической формы» второго закона термодинамики, которую иногда называют гипотезой «тепловой смерти» Вселенной. Её формулировка состоит из двух, на первый взгляд совершенно безобидных, положений.
1. Энергия Вселенной постоянна.
2. Энтропия Вселенной возрастает.
Казалось бы, оба утверждения совершенно естественны; первое следует из закона сохранения энергии, второе - из принципа возрастания энтропии. Более общий, выходящий за рамки только физики, метафизический характер этих законов позволил Р. Клаузиу-су распространить их на всю Вселенную.
«Драматической» такая формулировка второго закона термодинамики называется потому, что она предрекает неотвратимое достижение Вселенной, по аналогии с термодинамической системой, состояния термического равновесия, характеризующегося максимальной энтропией. Для Вселенной это означает наступление «тепловой смерти» - состояния, когда все звезды погаснут, а энергия и вещество равномерно распределятся по всему ее объему, т.е. Вселенная превратится, образно говоря, в «тёмный, холодный и пыльный чердак». Конечно, такое состояние несовместимо с существованием в ней жизни. Современные представления хорошо согласуются с ограниченностью Вселенной.
В космологии для прогнозирования состояния всей, охваченной астрономическими наблюдениями
части Вселенной, обычно называемой Метагалактикой, после работ А. Эйнштейна, А. А. Фридмана и Э. Хаббла утвердилась модель расширяющейся Вселенной, в которой галактики удаляются друг от друга. По этой модели скорость удаления каждой галактики пропорциональна расстоянию до нее от наблюдателя (закон Хаббла), т. е. по мере удаления галактики ее скорость удаления растет (рис. 2). Один из вариантов этой модели (замкнутая Вселенная) указывает, что существует расстояние, на котором скорость удаления галактик сравнится со скоростью света в вакууме.
Такое расстояние в этой модели получило название «горизонта событий», через который невозможен ни вещественный, ни энергетический обмен с «окружающей средой», поскольку во Вселенной не может существовать скорость переноса вещества и энергии выше, чем скорость света в вакууме. С этой точки зрения, в рамкам диссипативной модели реальности, замкнутая Вселенная - типичная изолированная система, в которой неизбежно достижение состояния равновесия. В последние десятилетия в космологии утвердился более развитый вариант замкнутой Вселенной - ее инфляционная модель с Х-членом и холодным темным веществом (Inflationary Lambda Cold Dark Matter model - ILCDM) [1].
Библиографическая ссылка
1. Жереб В. П., Снежко А. А., Ивасев С. С. Концепции современного естествознания ; СибГАУ. Красноярск:, 2009. - 132 с.
© Владимирова А. О., 2013
УДК 546 (076.5)
Т. А. Дербень Научный руководитель - А. А. Снежко Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск
ОЦЕНКА ВЕРОЯТНОСТИ ПРОТЕКАНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ МДО
Приводятся результаты оценки вероятности протекания физико-химических реакций, протекающих в электролите и на электродах при формировании оксидных покрытий на алюминиевых сплавах микродуговым способом. Расчеты выполнены с помощью термодинамического анализа с использованием закона Гесса и правила ступеней Оствальда.
МДО является совокупностью физико-химических реакций, протекающих на электродах и в электролите с большим градиентом температуры и напряженности, электрических полей.
Произвести расчет для неравновесных условий достаточно проблематично, из-за отсутствия данных по давлению, многофакторности процесса, поэтому для приблизительной оценки можно ограничиться равновесными условиями.
Для определения наиболее вероятных химических реакций целесообразно применить критерий само-
произвольного протекания химической реакции в неизолированной физико-химической системе для изобарных условий - изменение энергии Гиббса реакции АОреак.. Изменение энергии Гиббса термодинамической системы выражается формулой
АО = АН - Т -ДБ, (1)
где АН - изменение энтальпии; Д£ - изменение энтропии; Т - абсолютная температура.
Возможные варианты протекания реакций следующие:
