Основы физики

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Естественнонаучная и гуманитарная культура. Позитивизм и антипозитивизм в науке

В методологии науке под этими двумя терминами понимают две разные традиции, которые сформировались в изучении природы, т.е. в естествознании с одной стороны исследование духовной жизни общества с другой гуманитарных наук. Методы исследования естественных наук сформировались раньше гуманитарных поэтому неоднократно возникают попытки перенести методы из естественных наук в гуманитарные это направление получило название ПОЗИТИВИЗМ. Один из представителей Одьюс Конт. Альтернативное течение АНТИПОЗИТИВИЗМ. Представители этого течения вообще не признавали никакой связи между естественными и гуманитарными науками. Различие выражаются наиболее ярко между естественно-научными и гуманитарными культурами в истолковании их подхода к основным функциям науки: объяснение, понимание, предсказание явления.

2. Объяснение, понимание и предсказание явлений, как основные функции науки

Объяснение - это подведение явления, фактора, события под какой-то закон или теорию. Бывают разные уровни объяснения:

- причинные ( одно явление причина другого)

- номологические ( объяснение с помощью закона)

В гуманитарных науках трудно подвести индивидуальные и неповторимые события под какой-то общий закон или теорию. Некоторые философы считают, что можно давать объяснение и в гуманитарных науках, эти объяснения опираются на раскрытие цели, мотивов поведения людей. Такие объяснения называются темологические или финалистские.

Понимание - способ по средствам которого можно интерпретировать события гуманитарной деятельности. Уровни понимания:

- психологическая

- теоретическая

К психологическому относится понимание, которое основано на переживании одним человеком духовного опыта другого человека.

Теоретическое понимание основано на научной интерпретации, фактов, событий, процессов. Объяснение приводит к логическому выводу, а понимание к интерпретации.

Предсказание - не отличается от объяснения, основано на выводе высказываний о каких-либо фактах из законов и теорий. Сами факты являются гипотетическими. Их только предстоит открыть.

3. Эмпирическая и теоретическая стадии исследования

Метод - это совокупность правил и приемов, их использование, которые позволит систематически добиваться поставленной цели. Методы бывают:

- всеобщие ( методы физические или теоретические)

- общенаучные ( эмпирические (с греческого опыт) и теоретические)

- частнонаучные ( методы вырабатываемые каждой наукой ( физикой, химией и т.д.))

На экспериментальной стадии используются методы, которые опираются на чувственно-наглядные приемы и способы. К ним относится наблюдение, эксперимент, измерение. Наблюдение является первоначальным источником информации, результаты наблюдения систематизируют, обобщают. Эксперимент - это важный метод эмпирической стадии, он ставится таким образом, чтобы наблюдать процессы явления в условиях менее всего подверженных воздействию посторонних фактов. Измерение не является особым экспериментальным методом, является дополнением любого серьезного научного эксперимента. На теоретической стадии строят гипотезы, используют абстракции, формулируют понятия, открывают законы. Процесс исследования начинается с выдвижения проблемы, затем выдвигается гипотеза, которая в дальнейшем проверяется на предмет подтверждения ее имеющимся данным.

4. Дифференциация знания. Развитие естествознания. Становление современной естественно-научной картины мира

Дифференциация научного знания является необходимым этапом в развитии науки. Она направлена на более тщательное и глубокое изучение отдельных явлений и процессов окружающей среды. Она приводит к возникновению отдельных научных дисциплин. В ранней Греции не было отдельных научных дисциплин, все явления рассматривались в рамках умозрительного, философского подхода. Впервые отдельные естественно-научные дисциплины возникают в эпоху возрождения. Первая форма движения материи с которой должно было начаться изучение природы, является механическое движение. Такие ученые, как Тихо Бреггер, Каперник, Галилео Галилей изучали движение небесных тел, установили законы движения. Галилей применил первый экспериментальный метод.

В конце 19 века начале 20-ого лидирующей наукой была физика. Решающую роль в определении лидерства играют такие факторы, как:

- значение этой науки для общества.

- разработанность ее методов.

- возможность применения методов в других науках.

В конце 19 века были сделаны крупнейшие открытия ( был открыт электрон ). Бурно развивалось термодинамика, была создана модель атома ( Томсона, Резерфорда, Бора ). Установлено что свет обладает двойственностью, т.е. с одной стороны свет в отдельных явлениях ведет себя, как волна, а в других, как поток частиц. Эйнштейном, Планком было установлено, что свет поглощается и испускается порциями (квантами). В первой трети 20-ого века возникла квантовая механика. Много открытий связано с ядрами. Теория относительности Эйнштейна в 1905 г. и в 1915 г. общая теория относительности. Они изменили представление о пространстве и времени.

5. Дисциплинарный и интегративный подходы к изучению мира. Кибернетика как пример междисциплинарного исследования

Ньютон заложил основы механики и сформировалась отдельная дисциплина, которая называется классическая механика. Вслед за физикой начали формироваться такие дисциплины, как биология и химия ( такой подход в рамках отдельной дисциплины, называется дисциплинарный). Он ограничен, чтобы преодолеть эту ограниченность у науки выработался интегративный подход или междисциплинарный. Интеграция научных знаний начинается с применения понятий, теорий и методов одной науки в других науках. Когда биология стала использовать физические методы, появилась биофизика. Интеграция приводит к возникновению системного метода. Системный метод учитывает то, что все события, явления, факты окружающей действительности находятся во взаимосвязи и познании естественных, технических, социальных и гуманитарных наук и совершается по некоторым общим принципам и правилам. Примером междисциплинарного исследования является кибернетика. Кибернетика изучает общую точку зрения, процесс управления в технических, социальных системах.

6. Механическая картина мира. Законы Ньютона

Формирование механической картины связано с именем Галилея, который установил законы движения свободнопадающих тел. Он первый заменил экспериментальный метод, измерил величины и затем математически обрабатывал данные. Этим экспериментальный метод отличается от философского метода. Большое значение имели исследования движения небесных тел, которыми занимались такие ученые как Каперник, Тихо Бреггер. Ими было установлено, что орбитой планет является эллипс а не окружность. Ньютон заложил основы классической механики. Большое значение ньютон предавал экспериментам, отрицая существование скрытых качеств. Получил развитие количественный подход к описанию движения.

Законы механики. Формирование реалистичной картины мира происходило вследствии формирования классической механики, как раздела науки. Этот процесс шел в двух направлениях: 1) обобщение полученных ранее результатов (законов движения). 2) Создание математических методов для количественного объяснения (Ньютон предложил использовать аппарат дифференциального интегрального исчисления для описания движения). Ньютон показал:

хмгн.=S'(t)

a= хмгн'(t)

В основе классической механике три закона Ньютона, он сформулировал их в 1687 году, труд назывался "математические начала натуральной философии":

1) Существуют такие системы отсчета (инерциальные) относительно которых тело равномерно движется прямолинейно, пока на него не действуют другие тела или действие других тел компенсируется.

2) Ускорение которое тело приобретает прямо-пропорционально сумме сил и обратно-пропорционально массе.

3) Тела действуют друг на друга силами равными по модулю и противоположными по направлению.

Для механической картины классической механике характерно симметрия пространства по времени, которая выражается в вопросимости времени. Задав уравнение движения, начальное положение, скорость некоторых можно определить его положением и скорость через координаты.

7. Пространство и время. Их свойства в классической механике

Существует субстанциальный и реляционный подходы к описанию пространства и времени. Первый описывает пространство и время, как материальные сущности субстанций, которые обладают определенными свойствами. В реляционном подходе пространство и время рассматриваются в терминах "ближе - дальше" "раньше - позже". Ньютон, который заложил основы механики, ввел понятие абсолютного пространства и времени. Пространство оказывается вместилищем движущихся в нем тел. Несвязанны друг с другом пространство и время. Пространство обладает метрической системой.

Свойства пространства:

- однородность (все точки пространства обладают одинаковыми свойствами)

- изотропность (все направления в пространстве обладают одинаковыми свойствами) из первого пункта вытекает закон сохранения импульса, а из второго - закон сохранения момента импульса.

- непрерывность (между двумя точками пространства, как бы близко они не располагались, найдется третья точка).

- пространство подчиняется геометрии Эвклида.

- трехмерность ( х, у, z) положение определяется координатами.

Свойство времени:

- однородность (любые явления происходящие в одних и тех же условиях, но в разные моменты времени, происходят одинаково. Из этого свойства вытекает закон сохранения энергии)

- непрерывность (между двумя моментами времени, как бы близко они не располагались можно выделить третье)

- однонаправленность (необратимость времени)

Свойства в классической механике:

1. все состояния механики движения тел по отношению во времени являются одинаковыми так как время считается обратным.

2. все механические процессы подчиняются принципу детерминизма. Он заключается в том, что точное и однозначное определение состояния механической системы возможно, если знать ее предыдущие состояние. (зная начальное положение тела уравнение движения можно определить его скорость и координаты)

3. пространство и время никак не связаны друг с другом

4. связь механической картины с принципом дальнего действия, согласно этому принципу любые действия и сигналы в пространстве могут передаваться в любом пространстве.

8. Принцип относительности в классической механике. Закон всемирного тяготения Ньютона

Одно из величайших достоинств механики Ньютона была ее способность правильно описать движение планет Солнечной системы под действием силы тяжести: F = Gm₁m₂/r², G - постоянная, одинаковая для всех тел во Вселенной.

Ньютон сделал предположение, что сила F действует мгновенно через пустое пространство, разделяющее тела. Поэтому теория Ньютона является теорией мгновенного действия на расстоянии (теория дальнодействия). Понятие мгновенности строго определено в ньютоновской модели времени, так как там существует однозначное понятие одновременности даже для точек, удаленных друг от друга на значительные расстояния. Связав закон тяготения со вторым законом, Ньютон показал, что орбиты движения планет вокруг Солнца должны иметь форму эллипса.

Для классической механики и механистической картины мира в целом характерна симметрия пространства во времени, которая выражается в обратимости времени. Это означает, что задав уравнение движения тела, его координату и скорость в некоторый момент времени, называемый часто начальным его состоянием, мы можем точно и однозначно определить его состояние в любой другой момент времени в будущем и прошлом.

Механическая энергия системы остается неизменной, если не действует консервативная сила.

Принцип относительности .Для двух наблюдателей, движущихся друг относительно друга равномерно и прямолинейно, наблюдаемые ими движения (с учетом разницы в начальных условиях) одинаковы

Невозможно определить, находимся ли мы в состоянии покоя или в состоянии равномерного движения. Это означает, что не существует выделенной, привилегированной системы отсчета.

Выражаясь научно, наблюдатели в различных системах отсчета (системах координат) видят одно и то же.

9. Преобразования Галилея и Лоренца. Относительность одновременности событий

механический относительность термодинамический энтропия

Наблюдатель в вагоне имеет лампу, установленную в середине вагона. Для наблюдателя А, движущегося вместе с вагоном, видно, что оба сигнала выходят из середины вагона и распространяются в обе стороны, достигая обоих концов в один и тот же момент. Скорость света одинакова для лучей. Расстояния, ими проходимые, также одинаковы. Наблюдатель В должен увидеть левый сигнал быстрее, чем правый, т.к. вагон перемещается слева направо. Для него оба сигнала приходят не одновременно, а с некоторой разностью во времени. Одновременность двух пространственно разделенных событий не является абсолютным свойством самих событий, а лишь следствие их способа рассмотрения.

Рассмотрим, каким условиям должны удовлетворять преобразования пространственных координат и времени при переходе из одной системы отсчета к другой. Если принять предположение классической механики об абсолютном характере расстояний и длин, то уравнения будут иметь вид:

Эти уравнения называются преобразованиями Галилея.

Если же преобразования должны удовлетворять также требованию постоянства скорости света, то они описываются уравнениями Лоренца. Если система отсчета движется вдоль оси X, то координаты и время в движущейся системе выражаются уравнениями:

Движущаяся линейка будет короче покоящейся, и тем короче, чем быстрее она движется. Пусть начало линейки находится в начале координат, и ее абсцисса , а конец (в движущейся системе). В неподвижной системе

, ,

Т.е. длина линейки в неподвижной системе составит длины в движущейся системе.

Интервал времени между двумя событиями в двух системах отсчета будет разным (x=0)

.

Из уравнений следует, что вследствие движения наблюдателей друг относительно друга они, измеряя интервалы времени между двумя данными событиями, получают разные результаты.

Если V <<с, то уравнения Лоренца переходят в уравнения, мы встречаемся со скоростями, значительно меньшими скорости света, поэтому изменения, которые требует вносить теория относительности, крайне незначительны.

Относительность одновременности событий (примеры)

Эффект замедления времени на движущейся ракете является свойством пространства и времени. Наблюдатель на ракете ничего странного не замечает. Представляет интерес "парадокс близнецов" для иллюстрации эффектов теории относительности. Один "близнец" отправляется в космическое путешествие, другой остается на Земле. В равномерно движущемся с огромной скоростью космическом корабле темп времени замедляется, все процессы происходят медленнее. Космонавт, вернувшись, оказывается более молодым, чем оставшийся на Земле.

Другой пример - наблюдения над элементарными частицами, названными µ-мезонами (мюонами). Средняя продолжительность существования таких частиц - 2 мкс, некоторые из них, образуясь на высоте 10 км, долетают до поверхности Земли. Хотя при средней "жизни" в 2 мкс они могут проделать путь только 600 м. Продолжительность существования мюонов определяется по-разному для разных систем отсчета. С "их" точки отчета, они живут 2 мкс, с нашей, земной - значительно больше.

10. Опыт Майкельсона-Морли. Постулаты СТО

Теория Максвелла предсказывала, что свет распространяется в эфире с постоянной скоростью, зависящей только от "упругости" этой среды. Следовательно, скорость света, измеренная наблюдателем, связанным с Землей, должна быть различной в зависимости от того, в каком направлении распространяется свет. Свет, движущийся по "течению" эфира, должен распространяться с большей скоростью, чем свет, движущийся в обратную сторону.Американские физики Майкельсон и Морли в 1887 г. Осуществили эксперимент. Они использовали лучи света, "путешествующие" в потоке эфира вперед и назад во взаимно пер. после их возвращения, можно было точно определить разность времени их "путешествия".

Разность времени в результате эксперимента оказалась равной нулю. Таким образом развеялась идея эфирного ветра. Эйнштейном была предложена новая теория пространства и времени, названная специальной теорией относительности (СТО).

В основе СТО - отрицание абсолютных пространств и времени, не связанных друг с другом. Не существует абсолютно покоящихся систем отсчета, относительно которых можно измерить скорость объекта в пустом пространстве. Равномерное движение может быть определено только относительно какой-либо другой материальной системы.

Первый постулат СТО - принцип относительности Галилея.

Второй постулат СТО - утверждение, что скорость света всегда и везде одинакова, вне зависимости от того, измеряется она на Земле или на движущемся объекте.

11. Пространство и время в теории относительности

СТО получила экспериментальное подтверждение. Для более точного математического выражения потребовалось объединить пространство и время. Вместо разобщенных координат пространства и времени теория относительности рассматривает взаимосвязанный мир физических событий, который часто называют четырехмерным миром Г. Минковского.

Заслуга Минковского, по мнению Эйнштейна, состоит в том, что он впервые указал на формальное сходство пространственно-времененной непрерывности СТО с непрерывностью геометрического пространства Евклида. Вместо времени t вводится мнимая величина i*c*t, где i=

Замедление времени и сокращение масштабов можно рассматривать как взаимно связанные: сокращение пространственной протяженности выливается в увеличение протяженности во времени. Истинная длина стержня в эвклидовой геометрии

,

где x,y,z - проекция длины стержня на три взаимно перпендикулярных направления.

Хотя x и t не инвариантны для всех наблюдателей в СТО, комбинация x²-c²t² такой инвариантностью обладает

,

Можно задать инвариантный интервал

Интервал времени умножается на скорость, получается размерность длины. Очень малый интервал времени "стоит" огромной длины в пространстве.

Пространство-время - это четырехмерное пространство в математическом смысле слова. Часто бывает нагляднее изображать в виде пространственно-временной диаграммы.

Путь на пространственно-временной диаграмме можно рассматривать как историю движения точечной частицы, его обычно называют мировой линией. Точка на такой линии - это "положение" события, т.е. конкретное место, взятое в конкретное время.

12. Основные положения Общей Теории Относительности

ОТО называют, так же теорией тяготения. Она была опубликована в 1915 году. В ней Эйнштейн представил обоснования того, что в сильных гравитационных полях происходит изменение свойств четырехмерного пространства-времени, вследствие чего оно может претерпевать искажение. Искривление лучей света гравитационным полем явилось главным предсказанием теории Эйнштейна. В 1919 году во время солнечного затмения было измерено искривление световых лучей, что явилось подтверждением ОТО. При этом не следует считать, что она заменяет или отвергает СТО, в данном случае проявляется принцип соответствия, согласно которому новая теория не отвергает прежнюю, а дополняет ее и расширяет границы ее применимости.

В поисках новой теории тяготения, которая согласовывалась бы с принципами относительности, Эйнштейн руководствовался следующими соображениями. В теории Максвелла источником электромагнитного поля является электрический заряд, который не изменяется, если рассматривать его в разных системах отсчета. Масса тела, т.е. источник тяготения, изменяется при переходе от одной системы отсчета к другой, частица становится все тяжелее по мере того, как ее скорость приближается к световой. Эйнштейн стал искать поле, более сложное, чем электромагнитное поле Максвелла. Гравитационное поле должно состоять из большого числа компонентов, т.к. оно создает силы, действующие в разных направлениях. Эйнштейну удалось сформулировать релятивистскую теорию тяготения (другое название ОТО), из которой вытекает закон тяготения Ньютона как предельный случай для слабых полей при медленных движениях взаимодействующих тел (проявление принципа соответствия). Принцип относительности приобрел новое звучание:

Все механические явления во всех системах отсчета происходят одинаковым образом.

Благодаря новому взгляду, были обнаружены эффекты, которые не были известны в теории Ньютона:

1) планеты движутся не по эллипсам, а по незамкнутым кривым, которые можно представить как эллипс, ось которого поворачивается в плоскости орбиты (наблюдается в частности у Меркурия - 43" за столетие;

2) искривление световых лучей в поле тяготения;

3) замедление времени в поле тяготения.

Эйнштейн связал геометрические свойства искривленного пространства и физические свойства тяготения. При наличии гравитации пространство-время перестает быть плоским, подчиняться правилам евклидовой геометрии и обладает более или менее сложной геометрической структурой, в частности кривизной.

Необходима иная система, в которой используются гауссовы координаты. Геометрия переменной кривизны была создана Б. Риманом. Эйнштейн получил систему математических уравнений, которые описывают, как именно какой-либо источник тяготения искривляет пространство.

У Ньютона источником гравитации является масса. Но в теории относительности она связана с энергией, а энергия - с импульсом. Импульс тесно связан с механическим натяжением и давлением. Теория относительности Эйнштейна учитывает, что все эти физические величины могут порождать гравитацию. Проанализировав, как связаны между собой натяжение, энергия и импульс, Эйнштейн сумел отыскать геометрические величины, описывающие кривизну пространства-времени и связанные между собой точно таким же образом. Приравняв физические и геометрические величины, Эйнштейн пришел к уравнениям гравитационного поля. Уравнения детально описывают, как любое конкретное распределение натяжений, энергии, импульса искажают структуру пространства-времени в окрестности этого распределения.

13. Универсальные и статистические законы. Вероятность события

Законы в классической механике имеют универсальный характер. Наряду с ними в науке с середины прошлого века стали все шире применяться законы другого типа. Их предсказания не являются однозначными, а только вероятными. Это обстоятельство долгое время служило препятствием для признания их в науке в качестве полноценных законов. Заключения, основанные на этих законах, не следуют логически из имеющейся информации, а потому не являются достоверными и однозначными. Поскольку сама информация при этом носит статистический характер, то такие законы часто называют статистическими. Новый подход при описании систем, состоящих из огромного числа частиц, впервые развит Максвеллом, который понимал, что физическая задача должна быть поставлена иначе, чем в механике Ньютона, а именно, нужно попытаться найти вероятность того, что данная молекула обладает определенным значением скорости. Для описания случайного характера поведения молекул вводится понятие вероятности. Используя это понятие, Максвелл вывел закон распределения числа молекул по скоростям (вероятностный, статистический закон). В настоящее время существует, по крайней мере три интерпретации термина "вероятность".

1. Первая связана с классическим периодом развития теории вероятностей, когда вероятность события определялась как отношение числа случаев, благоприятствующих появлению события, к общему числу всех возможных случаев. Такое определение встречается у одного из основоположников классической теории вероятностей - французского математика Лапласа.

2. Возможность появления тех или иных событий нашли ученые путем сравнения числа появления исследуемого события к общему числу всех наблюдений. Чем чаще происходит событие, тем выше вероятность его появления при данных условиях наблюдения. Чем больше сделано наблюдений, тем точнее будет вычислена и вероятность события.

3.Некоторые ученые предложили рассматривать вероятность события как предел его относительной частоты при бесконечном числе наблюдений. Практически осуществить бесконечное число наблюдений невозможно, поэтому договорились считать вероятность Р события А: Р(А) = m/n, где m - число появлений интересующего события, n - число всех наблюдений. Такое определение еще называют частотным. Частотная или статистическая интерпретация вероятности получила наиболее широкое распространение в естественных и технических науках, а в последние десять лет и в социальном и гуманитарном познании.

14. Термодинамическая вероятность. Энтропия

Для объяснения направленности процессов в природе вводят понятие термодинамической вероятности. Термодинамической вероятностью данного состояния некоторой системы (W) называется число комбинаций отдельных элементов системы, или число микросостояний, с помощью которых реализуется это состояние. Предположение о том, что все микросостояния, соответствующие данному макросостоянию равновероятны, носит название эргодической гипотезы. Вероятность состояния (р) - это доля времени, в течение которого система находится в данном состоянии. Она пропорциональна термодинамической вероятности. Термодинамическая вероятность системы, состоящей из двух частей с термодинамическими вероятностями W₁ и W₂ равна произведению термодинамических вероятностей частей системы W = W₁W₂. Для практического анализа используют не термодинамическую вероятность, а функцию, называемую энтропией. По формуле Планка энтропия: S = klnW, где k - постоянная Больцмана. В замкнутых системах энтропия не убывает ДS ? 0. Если ДS = 0, процесс обратимый, если ДS > 0 - необратимый. Когда энтропия системы возрастает, то соответственно усиливается беспорядок в системе. В этом случае второе начало термодинамики постулирует, что энтропия замкнутой системы постоянно возрастает. Если система изотермически получает (Q > 0) или отдает (Q < 0) некоторое количество теплоты Q, то изменение энтропии ДS ? Q/T (формула Клаузиуса). Для анализа неизотермических процессов переходят к интегралу ДS ? ?dQ/T. Такие системы эволюционируют в сторону увеличения в них беспорядка, хаоса и дезорганизации. Термодинамика впервые ввела в физику понятие времени в форме необратимого процесса возрастания энтропии в системе.

15. Термодинамика и статистическая физика

Процессы передачи тепла являются необратимыми процессами. Их изучением занимается наука, называемая термодинамикой. Если классическая механика описывает законы движения тел под воздействием внешних сил, отвлекаясь от внутренних изменений, происходящих в механических системах, то термодинамика исследует физические процессы при различных преобразованиях тепловой энергии. Но она не анализирует внутреннее строение термодинамических систем, как это делает статистическая физика, рассматривая теплоту как беспорядочное движение огромного числа молекул. Термодинамика строится на основе фундаментальных принципов (начал), которые являются обобщением многочисленных наблюдений. Обоснование законов термодинамики, их связь с законами движения частиц, дается статистической физикой.

16. Открытые и замкнутые системы. Обратимые и необратимые процессы

Системы бывают замкнутые и открытые. Замкнутая система не обменивается с окружающей средой ни энергией ни веществом. Все остальные системы - открытые. Процессы, происходящие в этих системах, по своему характеру делятся на обратимые и необратимые. Обратимым называется процесс, который отвечает следующим условиям:

1. Его одинаково легко можно провести в двух противоположных направлениях (колебания маятника).

2. В каждом из этих направлений система проходит через одни и те же состояния.

3. После проведения прямого и обратного процесса система и окружающие ее тела возвращаются к исходному состоянию.

Все реальные процессы необратимы

Процессы передачи тепла являются необратимыми процессами. Их изучением занимается наука, называемая термодинамикой. С точки зрения термодинамики, система не рассматривается, как совокупность большого числа частиц. Её состояние характеризуется параметрами, такими как: объем, давление, температура, масса.

17. Самоорганизация в открытых системах. Условия, необходимые для возникновения процессов самоорганизации

Открытые системы обмениваются с окружающей средой энергией, веществом и информацией. Все реальные системы - открытые. В неорганической природе они обмениваются с внешней средой энергией и веществом. В социальных и гуманитарных системах к этому добавляется обмен информацией. В биологических системах информационный обмен осуществляется, в частности, передачей генетической информации. Одно из первых определений открытой системы принадлежит выдающемуся физику Э.Шредингеру: средство, при помощи которого организм поддерживает себя постоянно на достаточно высоком уровне упорядоченности (равно на достаточно низком уровне энтропии), в действительности состоит в непрерывном извлечении упорядоченности из окружающей среды. Взаимодействуя со средой, система заимствует извне новое вещество и отработанную энергию. В результате эволюции система постоянно производит энтропию, характеризующую степень беспорядка в системе. Но, в отличие от закрытых систем, энтропия не накапливается в ней, а удаляется в окружающую среду. Использованная, отработанная энергия рассеивается в окружающей среде. Открытая система не может быть равновесной. С поступлением новой энергии 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 изменению структуры. Немецкий физик Г. Хакен, изучая процессы самоорганизации, назвал новое направление исследований синергетикой (в переводе с греческого: совместное действие или взаимодействие).

Условия, необходимые для возникновения самоорганизации.

1. Система должна быть открытой, потому что закрытая система должна придти в конечном итоге в беспорядочное состояние.

2. Открытая система должна находиться достаточно далеко от температуры термодинамического равновесия. Если она находится в точке равновесия, то она обладает максимальной энтропией и не способна к организации.

3. Система должна быть неравновесной.

4. Система должна быть нелинейной (ее поведение описывается нелинейным уравнением).

5. В системе должны быть флуктуации - отклонение от среднего значения, случайное. Новый порядок возникает и усиливается как раз через флуктуацию. Она как бы расшатывают старый порядок и усиливают новый.

Перечисленные условия являются необходимыми, но не достаточными для возникновения самоорганизации в различных системах природы.

18. Примеры самоорганизующихся систем (ячейки Бенара, реакция Жаботинского-Белоусова, модель "хищник-жертва")

Ячейки Бенара.

Система является неравновесной, на слои жидкости действуют силы Архимеда и сила тяжести, при некоторой разности температур возникает конвекция, т.е. потоки жидкости перемещаются и эти потоки имеют вид шестиугольных ячеек. Внутри ячеек жидкость поднимается вверх, а по краям - опускается вниз. Возникает упорядочная структура.

Реакция Жаботинского-Белоусова.

Это пример самоорганизующейся хим.системы. Окраска раствора изменяется от бесцветного становится => жёлтый => красный => синий. В этом системе наблюдается пространственная упорядочность, т.к. цвет раствора изменяется из одной точки.

Стохастическая модель "хищник-жертва". При росте популяции пищи, так же увеличивается популяция хищников.

19. Термодинамическая система. Понятие состояния. Равновесные и неравновесные состояния

Состояние системы - это совокупность данных, позволяющая предсказать эволюцию системы во времени. Равновесным является такое состояние изолированной системы, в которое она переходит по истечении бесконечно большого промежутка времени. Практически равновесие достигается за конечное время. Если система находится в состоянии равновесия, то в равновесии находятся и отдельные ее макроскопические части. При неизменных внешних условиях такое состояние не меняется со временем. Равновесное состояние характеризуется не- большим числом физических параметров (p, V, T). В процессе перехода из одного равновесного состояния в другое система проходит через непрерывный ряд состояний, которые не являются равновесными. Равновесный процесс, представляя собой непрерывную цепь равновесных состояний, является обратимым, его можно совершать в обратном направлении. Термодинамика дает количественное описание обратимых процессов, а для необратимых процессов устанавливает лишь неравенства и указывает направление их протекания.

20. Первое и второе начала термодинамики. Энтропия, как функция состояния. Первое начало термодинамики

Существует два способа изменения состояния системы: к ней подводится тепло Q и над ней совершается работа А. В общем случае, переход системы из одного состояния в другое связан с сообщением системе некоторого количества теплоты ДQ и совершением системой работы ДА над внешними телами.

Первое начало термодинамики утверждает, что если система совершает термодинамический цикл (то есть возвращается в исходное состояние), то полное количество теплоты, сообщенное системе на протяжении цикла, равно совершенной ею работе.

Другая формулировка: если к системе подводится тепло Q и над ней производится работа А, то энергия системы возрастает до величины U = Q + A.

Первое начало термодинамики есть выражение закона сохранения энергии для систем, в которых существенную роль играют тепловые процессы. Теплота и работа энергетически эквивалентны и измеряются в одних и тех же единицах. Энергия U является внутренней энергией и функцией состояния системы.

Второе начало термодинамики.

Первое начало термодинамики не исключает создания такой машины непрерывного действия, которая была бы способна превращать в полезную работу практически всю подводимую к ней теплоту (так называемый вечный двигатель второго рода). Однако КПД тепловых машин меньше единицы. Часть теплоты рассеивается в окружающую среду. Карно показал, что любая тепловая машина должна содержать помимо нагревателя (источника теплоты) и рабочего тела, совершающего термодинамический цикл (например, пара), также и холодильник, имеющий температуру более низкую, чем температура нагревателя. Клаузиус дал второму началу термодинамики следующую формулировку: теплота не может самопроизвольно перейти от системы с меньшей температурой к системе с большей температурой. Он показал, что в любом непрерывном процессе превращения теплоты от нагревателя в работу, непременно должна происходить отдача теплоты холодильнику.

Если машина работает на основе цикла Карно, то на протяжении изотермического контакта с нагревателем (Т = Т₁), рабочее тело получает количество теплоты Q₁, а на другом изотермическом участке, находясь в контакте с холодильником (Т = Т₂), отдает ему количество теплоты Q₂. Отношение Q₂/Q₁ должно быть одним и тем же у всех машин с обратимым циклом Карно, у которых одинаковы соответственно температуры нагревателей и холодильников, и не может зависеть от природы рабочего тела. Это отношение называется пропорцией Карно: Q₂/Q₁ = Т₂/Т₁

В 1865 году Клаузиус ввел понятие энтропии как функции, которая подобно энергии, давлению, температуре, характеризует состояние газа. Когда к газу подводится некоторое количество теплоты ДQ, то энтропия изменяется на величину ДS = ДQ/T. Больцман связал понятие энтропии с вероятностью.

21. Вероятностный смысл энтропии. Закон возрастания энтропии

В 1865 году Клаузиус ввел понятие энтропии как функции, которая подобно энергии, давлению, температуре, характеризует состояние газа. Когда к газу подводится некоторое количество теплоты ДQ, то энтропия изменяется на величину ДS = ДQ/T. Больцман связал понятие энтропии с вероятностью.

Для объяснения направленности процессов в природе вводят понятие термодинамической вероятности. Термодинамической вероятностью данного состояния некоторой системы (W) называется число комбинаций отдельных элементов системы, или число микросостояний, с помощью которых реализуется это состояние. Предположение о том, что все микросостояния, соответствующие данному макросостоянию равновероятны, носит название эргодической гипотезы. Вероятность состояния (р) - это доля времени, в течение которого система находится в данном состоянии. Она пропорциональна термодинамической вероятности. Термодинамическая вероятность системы, состоящей из двух частей с термодинамическими вероятностями W₁ и W₂ равна произведению термодинамических вероятностей частей системы W = W₁W₂. Для практического анализа используют не термодинамическую вероятность, а функцию, называемую энтропией. По формуле Планка энтропия: S = klnW, где k - постоянная Больцмана. В замкнутых системах энтропия не убывает ДS ? 0. Если ДS = 0, процесс обратимый, если ДS > 0 - необратимый. Когда энтропия системы возрастает, то соответственно усиливается беспорядок в системе. В этом случае второе начало термодинамики постулирует, что энтропия замкнутой системы постоянно возрастает. Если система изотермически получает (Q > 0) или отдает (Q < 0) некоторое количество теплоты Q, то изменение энтропии ДS ? Q/T (формула Клаузиуса). Для анализа неизотермических процессов переходят к интегралу ДS ? ?dQ/T. Такие системы эволюционируют в сторону увеличения в них беспорядка, хаоса и дезорганизации. Термодинамика впервые ввела в физику понятие времени в форме необратимого процесса возрастания энтропии в системе. Такое понятие эволюции системы противоречит понятию эволюции, которое лежит в основе теории Дарвина. В процессе эволюции Дарвина происходит усложнение организации, в термодинамике эволюция связывается с дезорганизацией систем. Это противоречие оставалось неразрешенным вплоть до 60х годов 20 века, пока не появилась новая неравновесная термодинамика, которая оперирует с открытыми системами, живущими за счет заимствования порядка из внешней среды.

Размещено на Allbest.ru