Основные источники энергии, понятие о качестве энергии и негэнтропии - Эволюция и основные проблемы естествознания
За время существования нашей цивилизации много раз происходила смена традиционных источников энергии на новые, более совершенные. И не потому, что старый источник был исчерпан. Солнце светило и обогревало человека всегда, и тем не менее однажды люди приручили огонь, начали жечь древесину. Затем древесина уступила место каменному углю. Запасы древесины казались безграничными, но паровые машины требовали более калорийного "корма". Но и это был лишь этан. Уголь вскоре уступает свое лидерство на энергетическом рынке нефти. И вот новый виток: в наши дни ведущими видами топлива пока остаются нефть и газ. Но за каждым новым кубометром газа или тонной нефти нужно идти все дальше на север или восток, зарываться все глубже в землю. В этой связи нефть и газ будут с каждым годом стоить все дороже.
Замена? Нужен новый лидер энергетики. Им, несомненно, станут ядерные источники. Запасы урана в сравнении с запасами угля вроде бы не столь уж и велики. Но зато на единицу массы уран содержит в себе энергии в миллионы раз больше, чем уголь. А итог таков: при получении электроэнергии на АЭС нужно затратить намного меньше средств и труда, чем при извлечении энергии из угля. И ядерное горючее приходит на смену нефти и углю... Всегда было так: следующий источник энергии был более мощным.
В погоне за избытком энергии человек все глубже погружаются в стихийный мир природных явлений, и до какой-то поры не очень задумывался о последствиях своих дел и поступков. Однако времена меня-ются. Сейчас, на рубеже тысячелетий начинается новый, этап земной энергетики. Появилась энергетика "щадящая", построенная так, чтобы человек не рубил сук, на котором сидит, заботился об охране уже сильно поврежденной биосферы. Несомненно, в будущем одновременно с интенсивным развитием энергетики получит широкие права гражданства и экстенсивное направление: рассредоточенные источники энергии не слишком большой мощности, но зато с высоким кпд, экологически чистые, удобные в обращении. Яркий пример тому -- быстрый старт электрохимической энергетики, которую, видимо, дополнит энергетика солнечная.
Энергетика очень быстро аккумулирует, ассимилирует, вбирает в себя все самые новейшие идеи, изобретения, достижения естествознания. Это и понятно: энергетика связана буквально со всем, и все тянутся к энергетике, зависят от нее. Энергохимия, водородная энергетика, космические электростанции, энергия, запечатанная в антивеществе, кварках, "черных дырах", вакууме, -- это всего лишь наиболее яркие вехи, штрихи, отдельные черточки того сценария, который пишется на наших глазах и который можно назвать завтрашним днем энергетики.
Второе начало термодинамики определяет важную тенденцию в эволюции физического мира -- с течением времени в замкнутой изолированной системе энтропия должна возрастать. В результате энергии распределяются по рангам так, что высший занимают те, которые способны превратиться в большее число видов энергии.
Тогда низший ранг останется теплоте, превращения которой ограничены принципом Карно. Из энергий, встречающихся в физике и химии, высший ранг име-ют механическая и электрическая энергии, промежуточный -- химическая энергия (из-за тепловых явлений, сопровождающих химические реакции).
Психологически удобно, поскольку наш ум привык негативно воспринимать потерю чего-либо, пользоваться величиной, равной энтропии, но с обратным знаком, которую предложил ввести Шредингер. Один из творцов теории информации французский физик Леон Бриллюэн (1889--1969) назвал ее негэнтропией:
N =- S.
Негэнтропия представляет качество энергии, а принцип Карно выражает закон обесценивания энергии, ее деградации. Система, способная производить механическую работу (сжатая пружина, заряженная батарея, поднятый над Землей груз), может рассматриваться как источник негэнтропии, и, совершая работу, она теряет ее запас.
Энтропия связана с вероятностями:
S = k InW
Здесь W выражает число микросостояний, определяемое квантовыми законами. Рассмотрим, например, некоторую сложную систему и проследим ее эволюцию. Эта неустойчивая структура начнет разрушаться, переходя во вес более вероятные и устойчивые состояния. Энтропия при этом, как и вероятность, будет расти. Пусть эта система представляет собой находящийся в сосуде газ, состоящий из огромного числа беспрерывно движущихся молекул. Мы не знаем точного положения, и скорости в каждый момент времени каждой частицы газа. Нам могут быть известны только макропараметры: давление, объем, температура и состав газа. Эти величины можно измерить, вычислить энтропию системы и число "микроскопических комплексий", как называл число микросостояний Планк. Формула, приведенная выше, связывает энтропию с хаосом. Слева стоит ключевое понятие второго начала термодинамики, характеризующее любые самопроизвольные изменения системы, а справа -- величина, связанная с хаосом и служащая мерой рассеяния энергии, ее деградации во Вселенной. В чем смысл "микроскопических комплексий"?
Фактически мы должны рассчитать число способов, которыми можно осуществить внутренние перестройки в системе, чтобы наблюдатель не заметил изменений, или чтобы они не изменили характеристики микросостояния системы. При этом предполагается неотличимость атомов друг от друга.
Если в системе, состоящей из одного атома, произошло его энергетическое возбуждение, нам может быть об этом известно по значе-нию температуры. При этом возможно только одно распределение возбуждения в системе, W = 1, логарифм единицы равен нулю, и S = 0. Такой локализованный сгусток энергии обладает нулевой энтропией, или идеальным качеством. Если возбуждение передается по системе, и мы не можем отличить, какому именно атому, то в системе из ста атомов это может быть осуществлено ста способами, т. е. W=100, In 100 = 4,61, отсюда и S = 4,61k. Итак, энтропия системы выросла, система стала хаотичной, поскольку мы не знаем, где находится в каждый момент возбужденный атом.
Следует обратить внимание на то, что в формулу Больцмана входит медленно меняющаяся функция, и, если In 100 = 4,61 и In 1500 = 7,31, то логарифм от числа Авогадро равен всего 54,7 или In 1023 = 54,7.
Если система может быть представлена в виде двух взаимодействующих подсистем, то максимум энтропии достигается, когда обе подсистемы приходят в тепловое равновесие. При отсутствии перехода энергии из одной подсистемы в другую такое состояние может долго существовать, нарушаемое только флуктуациями. Но тепловое равновесие -- равновесие динамическое: в его основе лежит непрерывное движение, не воспринимаемое внешним наблюдателем.
Это состояние, соответствующее максимуму энтропии, может быть достигнуто максимальным числом способов, и чем большим числом способов оно достигается, тем выше его вероятность. Если эти перестановки на микроуровне совершал демон Больцмана, то он в силу своих хаотических действий не сможет распутать возникший беспорядок и вернуться в прошлое. Конечно, с очень малой вероятностью может произойти и невероятное: например, или газ скопится в одной части сосуда, или молекулы воды перестроятся так, что получится вино. Как выразился философ Давид Юм, "всегда более вероятно то, что рассказчик введен в заблуждение, чем то, что чудо действительно произошло".
Похожие статьи
-
Значение топливно-энергетического комплекса ощутилось в последнее время с особенной остротой. Дешевая энергия (точнее, искусственное занижение цен на...
-
Оказалось, что в глубинах океана существуют места, где жизнь в буквальном смысле бьет ключом. Удивительно богатые сообщества возникают там, где из...
-
Энергия - Естествознание - единая наука о природе
Земля планета солнечной энергии. "Живая сила" Лейбница. Основы термодинамики. Энтропия. Демон Максвела. На нашей планете основным источником энергии...
-
Основные положения теории неодарвинизма - Эволюция современного естествознания
Теория эволюции занимает особое место в изучении истории жизни и служит фундаментом для всей биологии. [3 ] Эволюция - всеобщее постепенное развитие,...
-
Сущность живого, его основные признаки - Развитие понятия "жизнь"
Понятие жизнь совпадает с предметом биологии как целостной научной системы (био-логия - наука о живом). Многие ученые склоняются к мысли о том, что...
-
Введение - Эволюция и основные проблемы естествознания
Естествознание как революционизирующая сила цивилизации. Естествознание -- один из важнейших двигателей общественного прогресса. Будучи основным фактором...
-
Вселенная - это самая крупная материальная система; это весь существующий материальный мир, без граничный во времени и пространстве и бесконечно...
-
Энергию, необходимую для жизнедеятельности (движения, выделения различных веществ), высвобождают все организмы постепенным распадом органических веществ,...
-
Cатистические и термодинамические свойства макросистем - Эволюция современного естествознания
Развитие представлений в природе тепловых явлений. Вокруг нас происходят явления, внешне весьма косвенно связанные с механическим движением. Это явления,...
-
В настоящее время в области фундаментальной теоретической физики выделяются три уровня строения материи: микромир - мир предельно малых, непосредственно...
-
Концепция биохимической эволюции (гипотеза А. И. Опарина) - Развитие понятия "жизнь"
Александр Иванович Опарин был не просто автором концепции физико-химической реконструкции зарождения жизни на Земле, а основоположником целого...
-
Представление о строении атомного ядра - Эволюция современного естествознания
Вещество - это форма существования материи, в которой она проявляет себя, прежде всего, в виде частиц, имеющих собственную массу (массу покоя). Согласно...
-
ЗАКЛЮЧЕНИЕ - Основные концепции происхождения и эволюции человека
Итак, многолетние находки и исследования ученых убедительно показывают, что человек вовсе не Божье создание, а вышел и развился из животного мира Земли,...
-
Содержание масковой цихлазомы - Основные характеристики цихлазомы Меека
Thorichthys meeki известен как один из самых "мирных" видов цихлазом, пригодный как для парного, так и для группового содержания, хотя и среди меек...
-
Источник: Ослимнник, или Энотемра (лат. Oenothйra) - род растений семейства Кипрейные (Onagraceae). Это довольно большой род (до 100 видов), включающий...
-
Фибринолиз., Литература - Понятие клеточного цикла и общая характеристика его основных периодов
Образующийся в результате свертывания крови фибриновый тромб растворяется благодаря действию плазмина -- сериновой протеиназы плазмы крови. В плазме...
-
Наиболее важной буферной системой плазмы является бикарбонатный буфер, состоящий из слабой угольной кислоты (рК1 6,1) и ее кислого аниона бикарбоната....
-
В цитозоле клеток 20 различных аминокислот присоединяются б-карбоксильной группой к 3'-гидроксильному акцепторному концу соответствующих тРНК с...
-
Современные биотехнологии - Краткий очерк теории эволюции. Концепции современного естествознания
Биотехнологии основаны на использовании живых организмов и биологических процессов в промышленном производстве. На их базе освоено массовое производство...
-
Основные положения СТЭ, их историческое формирование и развитие - Теория эволюции
Генетические идеи проникли в систематику, палеонтологию, эмбриологию, биогеографию. Термин "современный" или "эволюционный синтез" происходит из названия...
-
Вирус белок генетический фаг Основные проблемы и явления Бактериофаги являются паразитами представителей почти всех групп прокариотических организмов от...
-
Сразу же отметим, что изменить положение своей БД для ответа на изменение внешней среды в водах с замедленным течением и тем более - в стоячих водах...
-
Наша Галактика - Элементы эволюции вселенной
Звезды во Вселенной объединены в гигантские Звездные системы, называемые галактиками. Звездная система. В составе которой, как рядовая звезда находится...
-
Научное познание: структура и методы - Естествознание - единая наука о природе
Структура научного познания Понятие метода и методологии (и границы научного метода) Классификация методов научного познания Главное назначение научной...
-
Строение вселенной - Элементы эволюции вселенной
Мир, Земля, Космос, Вселенная... Тысячелетиями пытливое человечество обращало свои взгляды на окружающий мир, стремилось постигнуть его, вырваться за...
-
Нуклоны в ядрах находятся в состояниях, существенно отличающихся от их свободных состояний. За исключением ядра обычного водорода, во всех ядрах имеется...
-
Синергетика хакен неустойчивость диссипативный Бельгийский физик и физикохимик российского происхождения. Лауреат Нобелевской премии по химии 1977 года,...
-
Альтруизм в отношении со своими соплеменниками - Естествознание - единая наука о природе
Слияние отдельных групп в более крупные объединения для выполнения ряда важнейших функций: охрана, охота, земледелие, то есть формирования общественных...
-
Заключение - Сущность живого и проблема его происхождения
Имеем ли мы логическое право на признание коренного различия между живым и неживым? Есть ли в окружающей нас природе такие факты, которые убеждают нас в...
-
Физические мутагены - Источники мутагенов и оценка возможных последствий их влияния на организмы
К этой группе мутагенов относятся различные типы излучений, температура. К ионизирующим излучениям относят электромагнитные, рентгеновские и гамма-лучи,...
-
Все моносахариды и некоторые дисахариды, в том числе мальтоза и лактоза, относятся к группе редуцирующих (восстанавливающих) сахаров. Сахароза -...
-
Чтобы систематизировать огромное количество описаний животных и растений, требовалась какая-то единица систематики. Такой единицей, общей для всего...
-
Возможные последствия клонирования человека - Клонирование: достижения, перспективы, проблемы
Споры по поводу запрещения клонирования чуть было не привели к свертыванию проекта Вилмута, но ученым удалось отстоять результаты своей работы и...
-
Работа с внутренней феноменологией клиента - Основные стратегии работы гештальт-терапевта
Первая из названных в этой статье стратегий может быть обозначена как работа с внутренней феноменологией клиента и имеет ряд фундаментальных отличий от...
-
Борьба за выживание или неспособность справляться с жизненными ситуациями? Когда человек живет в постоянном стрессе, не умеет противостоять или...
-
Основные пространственно-временные виды симметрий - Симметрия в природе
1. Сдвиг начала координат. Эта операция не изменяет физических законов, что связано с физической эквивалентностью всех точек пространства, т. е. с его...
-
Химическая эволюция - Зарождение жизни в горячей воде
Химическая эволюция или пребиотическая эволюция - этап, предшествовавший появлению жизни, в ходе которого органические, пребиотические вещества возникли...
-
С позиции самоорганизации в развитии открытых неравновесных систем выделяется плавный (эволюционный) этап, на протяжении которого не происходит серьезных...
-
Хаос как основа порядка - Хаос и порядок. Явление самоорганизации
Рассмотрим кинетическую энергию совокупности частиц. Если вдруг окажется, что все частицы движутся в одном и том же направлении с одинаковыми скоростями,...
-
Примеры симметрии в природе - Симметрия в природе
Симметрия веками оставалась тем свойством, которое занимало умы философов, астрономов, математиков, художников, архитекторов и физиков. Древние греки...
Основные источники энергии, понятие о качестве энергии и негэнтропии - Эволюция и основные проблемы естествознания