На бирже курсовых и дипломных проектов можно найти образцы готовых работ или получить помощь в написании уникальных курсовых работ, дипломов, лабораторных работ, контрольных работ, диссертаций, рефератов. Так же вы мажете самостоятельно повысить уникальность своей работы для прохождения проверки на плагиат всего за несколько минут.

ЛИЧНЫЙ КАБИНЕТ 

 

Здравствуйте гость!

 

Логин:

Пароль:

 

Запомнить

 

 

Забыли пароль? Регистрация

Повышение уникальности

Предлагаем нашим посетителям воспользоваться бесплатным программным обеспечением «StudentHelp», которое позволит вам всего за несколько минут, выполнить повышение уникальности любого файла в формате MS Word. После такого повышения уникальности, ваша работа легко пройдете проверку в системах антиплагиат вуз, antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru. Программа «StudentHelp» работает по уникальной технологии и при повышении уникальности не вставляет в текст скрытых символов, и даже если препод скопирует текст в блокнот – не увидит ни каких отличий от текста в Word файле.

Результат поиска


Наименование:


реферат Энтропия в термодинамике

Информация:

Тип работы: реферат. Добавлен: 25.05.2012. Сдан: 2011. Страниц: 6. Уникальность по antiplagiat.ru: < 30%

Описание (план):


 
 
 
 
План: 

Введение  2
 
Энтропия  в термодинамике 5 

Роль  энтропии для живых организмов 8 

Примеры самоорганизации 9 

Тепловая  смерть Вселенной 10
 
Синергетика 11 

Список  используемых источников 14 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

     Энтропия  – (поворот, превращение) (обычно обозначается S), функция состояния термодинамической  системы, изменение энтропии (dS) в равновесном процессе равно отношению количества теплоты (dQ), сообщенного системе или отведенного от нее, к термодинамической температуре (T) системы. Неравновесные процессы в изолированной системе сопровождаются ростом энтропии, они приближают систему к состоянию равновесия, в котором энтропия максимальна.(5)
     Понятие энтропии является многозначным, невозможно дать ему единственное точное определение. Наиболее общим же является следующее:
     Энтропия  – мера неопределенности, мера хаоса.
     В зависимости от области знания, выделяют множество видов энтропии: термодинамическая энтропия, информационная (энтропия Шеннона), культурная, энтропия Гиббса, энтропия Клаузиуса и многие другие.
     Энтропия  Больцмана является мерой беспорядка, хаотичности, однородности молекулярных систем.

Хаос (греч.) — в древнегреческой философии беспредельная первобытная масса, неупорядоченная первопотенция мира, из которой образовалось впоследствии все существующее. В общем смысле — полный беспорядок, нарушение последовательности, стройности.

В физику понятие хаоса ввели австрийский  физик Людвиг Больцман и американский физик Джозайя Уиллард Гиббс.

 
       Знаменитое  второе начало (закон) термодинамики  в формулировке немецкого физика Р. Клаузиуса звучит так: "Теплота не переходит самопроизвольно от холодного тела к более горячему".
       Энтропия  в термодинамике – мера необратимого рассеивания энергии, является функцией состояния термодинамической системы
       Закон сохранения и превращения энергии (первое начало термодинамики), в принципе, не запрещает такого перехода, лишь бы количество энергии сохранялось  в прежнем объеме. Но в реальности это никогда не происходит. Данную односторонность, однонаправленность перераспределения энергии в  замкнутых системах и подчеркивает второе начало термодинамики. (3)
       Для отражения этого процесса в термодинамику  было введено новое понятие - "энтропия". Под энтропией стали понижать меру беспорядка системы. Более точная формулировка второго начала термодинамики приняла такой вид: при самопроизвольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию, энтропия всегда возрастает.
       Физический  смысл возрастания энтропии сводится к тому, что состоящая из некоторого множества частиц изолированная (с постоянной энергией) система стремится перейти в состояние с наименьшей упорядоченностью движения частиц. Это и есть наиболее простое состояние системы, или термодинамическое равновесие, при котором движение частиц хаотично. Максимальная энтропия означает полное термодинамическое равновесие, что эквивалентно хаосу.
       Однако, исходя из теории изменений Пригожина, энтропия - не просто безостановочное соскальзывание системы к состоянию, лишенному какой бы то ни было организации. При определенных условиях энтропия становится прародительницей порядка.(1) 

      Энтропия — мера беспорядка в системах, как и сами понятия порядка и беспорядка, приобретает фундаментальное значение. Более глубокое толкование и понимание смысла энтропии и начал термодинамики было дано с позиций статистической физики. Если каждое макроскопическое состояние газа может быть получено с определенной вероятностью, то вероятность может быть вычислена через вероятности микросостояний.
      Нулевое начало термодинамики уточняет понятие температура. Тепловое равновесие существует, если система А приведена в тепловой контакт с системой В, но потоки энергии отсутствуют. Количественно введено понятие температуры: если системы А и В имеют одинаковую температуру, то системы находятся в тепловом равновесии друг с другом.
      Первое  начало термодинамики — это закон сохранения и превращения энергии в изолированной системе, утверждение существования внутренней энергии, поэтому его называют принципом энергии. Энергия утвердилась как основная сохраняющаяся величина (1847), когда договорились о терминах Кельвин и Джоуль. Теплота и работа определяют способы передачи энергии. Первое начало термодинамики часто формулируют как невозможность существования вечного двигателя первого рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника.
Существует несколько эквивалентных формулировок первого начала термодинамики:
Количество теплоты, полученное системой, идёт на изменение её внутренней энергии и совершение работы против внешних сил.(2)
Изменение внутренней энергии системы при переходе её из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе и не зависит от способа, которым осуществляется этот переход.
Изменение полной энергии системы в квазистатическом процессе равно количеству теплоты Q, сообщённому системе, в сумме с изменением энергии, связанной с количеством вещества при химическом потенциале ?, и работы A', совершённой над системой внешними силами и полями, за вычетом работы A, совершённой самой системой против внешних сил
?+ ??A'.
      Вечный двигатель первого рода — воображаемое устройство, способное бесконечно совершать работу без затрат топлива или других энергетических ресурсов. Согласно закону сохранения энергии, все попытки создать такой двигатель обречены на провал. Невозможность осуществления вечного двигателя первого рода постулируется в термодинамике как первое начало термодинамики.
      Второе  начало термодинамики устанавливает направленность всех процессов в изолированных системах. Кельвин и Клаузиус отделили это начало — хотя полное количество энергии сохраняется в любом процессе, распределение энергии изменяется необратимо. Второе начало называют принципом энтропии. Теплота переходит самопроизвольно только от более нагретых тел к менее нагретым. При этом для направления, в котором происходит изменение распределения энергии, оказывается не важно само количество энергии. Это начало проявилось при преобразовании теплоты в полезную работу, оно сыграло важнейшую роль в преобразовании энергии, запасенной в топливе, в движущую силу. Ограничения, устанавливаемые вторым началом термодинамики, показали, что трудно выделить упорядоченное движение из неупорядоченного. В формулировке Кельвина второе начало таково: «Невозможен процесс, единственный результат которого состоял бы в поглощении теплоты от нагревателя и полного преобразования этой теплоты в работу».
Второе начало термодинамики запрещает так называемые вечные двигатели второго рода.
      Вечный двигатель второго рода — воображаемая машина, которая, будучи пущена в ход, превращала бы в работу всё тепло, извлекаемое из окружающих тел. Невозможность осуществления вечного двигателя второго рода постулируется в термодинамике в качестве одной из эквивалентных формулировок второго начала термодинамики.
      Третье  начало термодинамики определяет свойства веществ при очень низких температурах, утверждая, что нельзя охладить тела до температуры абсолютного нуля за конечное число процессов. Оно предполагает атомное строение вещества, тогда как остальные являются обобщением опытных данных и не содержат сведений о какой-либо структуре вещества.
Приращение энтропии при абсолютном нуле температуры стремится к конечному пределу, не зависящему от того, в каком равновесном состоянии находится система.(4) 

Энтропия  в термодинамике
      Понятие энтропии было впервые введено в 1865 году Рудольфом Клаузиусом. Он определил изменение энтропии термодинамической системы при обратимом процессе как отношение изменения общего количества тепла ?к величине абсолютной температуры (то есть изменение тепла при постоянной температуре):
    .
Например, при температуре 0 °C, вода может находиться в жидком состоянии и при незначительном внешнем воздействии начинает быстро превращаться в лед, выделяя при этом некоторое количество теплоты. При этом температура вещества так и остается 0 °C. Изменяется состояние вещества, сопровождающееся изменением тепла, вследствие изменения структуры.
Эта формула  применима только для изотермического  процесса (происходящего при постоянной температуре). Её обобщение на случай произвольного квазистатического процесса выглядит так:
    ,
где dS — приращение (дифференциал) энтропии, а ?— бесконечно малое приращение количества теплоты.
Необходимо  обратить внимание на то, что рассматриваемое  термодинамическое определение применимо только к квазистатическим процессам (состоящим из непрерывно следующих друг за другом состояний равновесия).
Поскольку энтропия является функцией состояния, в левой части равенства стоит её полный дифференциал. Напротив, количество теплоты является функцией процесса, в котором эта теплота была передана, поэтому ?считать полным дифференциалом нельзя.
Энтропия, таким образом, согласно вышеописанному, определена вплоть до произвольной аддитивной постоянной. Третье начало термодинамики позволяет определить её точнее: предел величины энтропии равновесной системы при стремлении температуры к абсолютному нулю полагают равным нулю. (1)
В 1877 году Людвиг Больцман установил связь энтропии с вероятностью данного состояния. Позднее эту связь представил в виде формулы Макс Планк:

где константа = 1,38 · 10?23 Дж/К названа Планком постоянной Больцмана, а ? — статистический вес состояния, является числом возможных микросостояний (способов) с помощью которых можно перейти в данное макроскопическое состояние. Этот постулат, названный Альберт Эйнштейном принципом Больцмана, положил начало статистической механики, которая описывает термодинамические системы, используя статистическое поведение составляющих их компонентов. Принцип Больцмана связывает микроскопические свойства системы (?) с одним из её термодинамических свойств (S).
Согласно  определению, энтропия является функцией состояния, то есть не зависит от способа достижения этого состояния, а определяется параметрами этого состояния. Так как ? может быть только натуральным числом (1, 2, 3, …), то энтропия Больцмана должна быть неотрицательной — исходя из свойств логарифма.(4)
      Существует  мнение, что ? является мерой беспорядка в системе. В определённом смысле это может быть оправдано, потому что мы думаем об «упорядоченных» системах как о системах, имеющих очень малую возможность конфигурирования, а о «беспорядочных» системах как об имеющих очень много возможных состояний. Собственно, это просто переформулированное определение энтропии как числа микросостояний на данное макросостояние.
Подобное  определение беспорядка термодинамической  системы как количества возможностей конфигурирования системы фактически дословно соответствует определению энтропии как числа микросостояний на данное макросостояние. Проблемы начинаются в двух случаях:
      когда начинают смешивать различные понимания  беспорядка, и энтропия становится мерой беспорядка вообще;
      когда понятие энтропии применяется для  систем, не являющихся термодинамическими.
В обоих  этих случаях применение понятия  термодинамической энтропии совершенно неправомерно. Рассмотрим пример термодинамической системы — распределение молекул в поле тяготения. В этом случае наиболее вероятным распределением молекул будет распределение согласно барометрической формуле Больцмана. Другой пример — учёт электромагнитных сил взаимодействия между ионами. В этом случае наиболее вероятным состоянием, соответствующим максимуму энтропии, будет упорядоченное кристаллическое состояние, а совсем не «хаос». (1)
      Это неверное понимание энтропии появилось  во время развития теории информации, в связи с парадоксом термодинамики, связанным с мысленным экспериментом т. н. «демона Максвелла». Суть парадокса заключалась в том, что рассматривалось два сосуда с разными температурами, соединённых узкой трубкой с затворками, которыми управлял т. н. «демон». «Демон» мог измерять скорость отдельных летящих молекул, и т.о. избирательно пропускать более быстрые в сосуд с высокой температурой, а более медленные — в сосуд с низкой. Из этого мысленного эксперимента вытекало кажущееся противоречие со вторым началом термодинамики.
      Парадокс  может быть разрешён при помощи теории информации. Для измерения скорости молекулы «демон» должен был бы получить информацию о её скорости. Но всякое получение информации — материальный процесс, сопровождающийся возрастанием энтропии. Количественный анализ[2] показал, что приращение энтропии при измерении превосходит по абсолютной величине уменьшение энтропии, вызванное перераспределением молекул «демоном».(4)
      В силу второго начала термодинамики, энтропия Sзамкнутой системы не может уменьшаться" (закон неубывания энтропии). Математически это можно записать так:  , индекс обозначает так называемую внутреннюю энтропию, соответствующую замкнутой системе. В открытой системе возможны потоки тепла как из системы, так и внутрь неё. В случае наличия потока тепла в систему приходит количество тепла ?Qпри температуре Tи уходит количество тепла ?Qпри температуре T2. Приращение энтропии, связанное с данными тепловыми потоками, равно:

В стационарных системах обычно ?Q= ?Q2TT2, так что dS< 0. Поскольку здесь изменение энтропии отрицательно, то часто употребляют выражение «приток негэнтропии», вместо оттока энтропии из системы. Негэнтропия определяется таким образом как обратная величина энтропии.
Суммарное изменение энтропии открытой системы  будет равно: dS dSdSo.
Если  всё время dS > 0, то рост внутренней энтропии не компенсируется притоком внешней негэнтропии, система движется к ближайшему состоянию равновесия. Если dS = 0, то мы имеем стационарный процесс с неизменной общей энтропией. В этом случае в системе осуществляется некоторая внутренняя работа с генерацией внутренней энтропии, которая преобразует, например, температуру Tвнешнего потока тепла в температуру Tуходящего из системы потока тепла.(4)
Роль  энтропии для живых  организмов 

      Все превращения энергии описываются термодинамическими законами, которые при правильно сформулированных физических ограничениях и адекватных физических моделях применимы и для жизненных процессов. Уменьшение энтропии (возникновение отрицательной энтропии, негэнтропии, по Шрёдингеру) в живом организме при взаимодействии его с окружающей средой приводит к росту свободной энергии.
если система  «уклоняется» от равновесия, то она  должна постоянно компенсировать рост энтропии какой-то энергией, с точки  зрения физики — свободной энергией. Из термодинамических законов следует, что свободная энергия определяется как
F= U- ST,
где S — энтропия, U — внутренняя энергия системы, ST — связанная энергия. 

А из термодинамики  известно, что увеличение свободной энергии происходит с упорядочением системы, ее усложнением и отклонением от равновесия.
Э. Шрёдингер  считал, что живые организмы  «извлекают упорядоченность из окружающей среды», питаются структурированной, упорядоченной пищей, а отдают природе менее структурированные «отходы» «производства» своей жизнедеятельности. Это общее положение биологи развивают как возникновение специфической упорядоченности для разных видов животных. Поступающая пища сначала расщепляется до низкомолекулярных веществ, аминокислот, углеводов, Сахаров и т.д., общих для всей живой природы, а затем за счет поглощения энергии извне из «элементарных кирпичиков» жизни организмы строят присущие лишь им белки. Поэтому каждый организм характерен неповторимой, именно ему присущей комбинацией белковых молекул, своей специфичной упорядоченностью. (2)
      Таким образом, живая природа избегает возрастания энтропии и повышает ее в окружающей среде при общении живого организма с ней. Энтропия — «омертвленная» энергия, которую нельзя превратить в работу. По законам классической термодинамики в изолированных системах теплота полностью не переходит в работу, она рассеивается, т.е. процесс идет от порядка к хаосу. Для живых организмов как открытых систем с физической точки зрения акт творения живого будет состоять в спонтанной трансформации тепловой энергии необратимых флуктуаций в целенаправленную механическую работу создания высокоорганизованной системы именно за счет свободной энергии. Следовательно, динамическая неравновесность живых систем свидетельствует об их непременной упорядоченности, так как равновесие соответствует беспорядку, хаосу и это равновесие приводит к смерти живого организма, когда его энтропия максимальна.
Энтропия  выступает как мера хаоса, неопределенности, усреднения поведения объектов, установления стабильного состояния и даже определенного единообразия. Жизнедеятельность биологических объектов показывает, что они не хотят подчиняться термодинамическому закону для изолированных систем. Одним из биологических законов развития является как раз разнообразие видов биологических организмов, что обязательно должно приводить к уменьшению энтропии в живых системах. Так, например, гипотетическое появление белой вороны в стае черных означает уменьшение энтропии стаи, а увеличение неопределенности в статистических хаотических состояниях с максимальной энтропией вызывает у человека психическую напряженность, дискомфорт, неудовлетворенные потребности, отрицательные эмоции. Поэтому наш организм и стремится минимизировать именно энтропию. потенциалов, давления.
     Согласно  К. Денбигу энтропию нельзя однозначно связать только с беспорядком. Так, при спонтанной кристаллизации переохлажденной  жидкости в адиабатических условиях энтропия возрастет, но при этом возрастет и порядок. В то же время порядок и организация не являются одним и тем же: обои с геометрическим узором более упорядочены, чем картины Сезанна, но последние гораздо более организованны. Аналогично живая клетка значительно более организованна, чем кристалл, хотя кристалл и более упорядочен. Примерами организованности в пространстве являются картины художников, во времени — ноты и знаки в музыкальном воспроизведении; научные теории и математические формулы организованны в логическом пространстве и т.д. (2) 

     Примеры самоорганизации 

     Самоорганизация - это не кооперация под воздействием случайных факторов в состоянии неустойчивости, а процессы, причины которых заложены в природе. Эти процессы происходят на всех уровнях иерархии Вселенной и обеспечиваются всеми действующими в ней законами и силами.(1)
     Самоорганизация проявляется на уровне живой клетки, тканей, образованных из клеток, на уровне органов, систем органов, выполняющих  определенные функции организма, и, наконец, всего организма в целом. Не только одного организма, но и всей популяции в целом.
     В качестве примера можно привести регулирование численности популяции  у животных. При чрезмерном увеличении популяции наблюдается ослабление особей из-за нехватки пищи, появления болезней, хищников и других факторов, которые регулируют численность, доводя ее до оптимального размера.
     В неживой природе мы также видим  принципы самоорганизации на всех уровнях. На микроуровнях это проявляется  в законах, по которым существуют элементарные частицы, атомы и молекулы, по которым они взаимодействуют и создают сложные структуры материи. Химические реакции - это процессы самоорганизации на атомно-молекулярном уровне. На макроуровнях самоорганизация проявляется в законах возникновения, развития и взаимодействия планет, звезд, галактик и других космических образований. И, наконец, самый высший уровень самоорганизации - это совокупность всех законов и сил, обеспечивающих эволюцию. (3) 

Тепловая  смерть Вселенной

      Вывод о том, что все виды энергии во Вселенной в конце концов должны перейти в энергию теплового движения, которая равномерно распределится по веществу Вселенной, после чего в ней прекратятся все макроскопические процессы.

     Этот вывод  был сформулирован Р. Клаузиусом (1865) на основе второго начала термодинамики. Согласно второму началу, любая физическая система, не обменивающаяся энергией с другими системами (для Вселенной в целом такой обмен, очевидно, исключен), стремится к наиболее вероятному равновесному состоянию — к так называемому состоянию с максимумом энтропии. Такое состояние соответствовало бы «Тепловой смерти» Вселенной.
       Ещё до создания современной  космологии были сделаны многочисленные  попытки опровергнуть вывод о «Тепловой с» В. Наиболее известна из них флуктуационная гипотеза Л. Больцмана (1872), согласно которой Вселенная извечно пребывает в равновесном изотермическом состоянии, но по закону случая то в одном, то в другом её месте иногда происходят отклонения от этого состояния; они происходят тем реже, чем большую область захватывают и чем значительнее степень отклонения. Современной космологией установлено, что ошибочен не только вывод о «Тепловой смерти» Вселенной, но ошибочны и ранние попытки его опровержения. Связано это с тем, что не принимались во внимание существенные физические факторы и прежде всего тяготениеС учётом тяготения однородное изотермическое распределение вещества вовсе не является наиболее вероятным и не соответствует максимуму энтропии. Наблюдения показывают, что Вселенная резко нестационарна. Она расширяется, и почти однородное в начале расширения вещество в дальнейшем под действием сил тяготения распадается на отдельные объекты, образуются скопления галактик, галактики, звёзды, планеты. Все эти процессы естественны, идут с ростом энтропии и не требуют нарушения законов термодинамики. Они и в будущем с учётом тяготения не приведут к однородному изотермическому состоянию Вселенной — к «Тепловой смерти» Вселенной. Вселенная всегда нестатична и непрерывно эволюционирует.(1)
     Как уже говорилось, законы термодинамики  нельзя применить ко Вселенной в  целом, так как она не является термодинамической системой, однако во Вселенной можно выделить подсистемы, к которым применимо термодинамическое описание. Такими подсистемами являются, например, все компактные объекты (звезды, планеты и др.) или реликтовое излучение (тепловое излучение с температурой 2,73 К). Реликтовое излучение возникло в момент Большого взрыва, приведшего к образованию Вселенной, и имело температуру около 4000 К. В наше время, то есть спустя 10–20 млрд лет после Большого взрыва, это первичное (реликтовое) излучение, прожившее все эти годы в расширяющейся Вселенной, охладилось до указанной температуры. Расчеты показывают, что полная энтропия всех наблюдаемых компактных объектов ничтожно мала по сравнению с энтропией реликтового излучения. Причина этого, прежде всего в том, что число реликтовых фотонов очень велико: на каждый атом во Вселенной приходится примерно 109 фотонов [6]. Энтропийное рассмотрение компонент Вселенной позволяет сделать еще один вывод. По современным оценкам, полная энтропия той части Вселенной, которая доступна наблюдению, более чем в  1030 раз меньше, чем энтропия вещества этой же части Вселенной, сконденсированной в черную дыру. Это показывает, насколько далека окружающая нас часть Вселенной от максимально неупорядоченного состояния. (2)

Синергетика

 
     Синергетика – (совместный, согласованно действующий) – область научных исследований, цель которых – выявление общих закономерностей процессов самоорганизации в открытых системах, приводящих иногда к возникновению в них новых структур. (5)
      В классической науке господствовало убеждение, что материи свойственна  тенденции к понижению степени ее упорядоченности, стремление к равновесию, что в энергетическом смысле означает хаотичность. Такой взгляд на природу был сформулирован в рамках равновесной термодинамики (то есть, науки о превращении различных видов энергии друг в друга). Первое начало термодинамики – закон превращения и сохранения энергии в принципе не запрещает перехода энергии от менее нагретых тел к более нагретым, единственное условие, что бы общее количество энергии не изменялось. В реальности мы непосредственно такого не наблюдаем, поэтому в термодинамику было введено новое понятие энтропии, то есть меры беспорядка системы. Второе начало термодинамики приняло следующий вид: при самопроизвольных процессах в системах имеющих постоянную энергию энтропия всегда возрастает. В системе с постоянной энергией, то есть изо
и т.д.................


Перейти к полному тексту работы


Скачать работу с онлайн повышением уникальности до 90% по antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru


Смотреть полный текст работы бесплатно


Смотреть похожие работы


* Примечание. Уникальность работы указана на дату публикации, текущее значение может отличаться от указанного.