Ентропія та її роль у побудові сучасної картини світу

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Реферат
з дисципліни Концепція сучасного природознавства
ТЕМА
Ентропія та її роль у побудові сучасної картини світу
2009

Зміст
1 Що таке ентропія
2 Термодинамічна ентропія
3 Ентропія Всесвіту
4 Ентропія та інформація
5 негентропії
6 Ентропія і життя. Біологічна впорядкованість
Список використаних джерел

1 Що таке ентропія
Серед всіх фізичних величин, що увійшли у науку в XIX ст., Ентропія займає особливе місце в силу своєї незвичайної долі. З самого початку ентропія утвердилася в теорії теплових машин. Однак дуже скоро рамки цієї теорії виявилися їй тісні, і вона проникла в інші області фізики, насамперед у Теорію випромінювання. Експансія ентропії цим не обмежилася. На відміну, наприклад, від інших термодинамічних величин ентропія досить швидко переступила межі фізики. Вона вторглася в суміжні області: космологію, біологію і, нарешті, в теорію інформації [6].
Поняття ентропії є багатозначним, неможливо дати йому єдине точне визначення. Найбільш загальними ж є наступне:
Ентропія - міра невизначеності, міра хаосу.
У залежності від галузі знання, виділяють безліч видів ентропії: термодинамічна ентропія, інформаційна (ентропія Шеннона), культурна, ентропія Гіббса, ентропія Клаузіуса і багато інших.
Ентропія Больцмана є мірою безладу, хаотичності, однорідності молекулярних систем.
Фізичний сенс ентропії з'ясовується при розгляді мікростану речовини. Л. Больцман був першим, хто встановив зв'язок ентропії з ймовірністю стану. У формулюванні М. Планка твердження, що виражає цей зв'язок і зване принципом Больцмана, представляється простою формулою
S = k B lnW.
Сам Больцман ніколи не писав цієї формули. Це зробив Планк. Йому ж належить введення постійної Больцмана k B. Термін «принцип Больцмана» був введений А. Ейнштейном. Термодинамічна ймовірність стану W або статистичний вага цього стану - це число способів (число мікростану), за допомогою яких можна реалізувати дане макросостояніе [6]. Ентропія Клаузіуса пропорційна кількості зв'язаної енергії, що знаходиться в системі, яку не можна перетворити на роботу. Ентропія Шеннона кількісно характеризує достовірність переданого сигналу і використовується для розрахунку кількості інформації.
Розглянемо докладніше термодинамічну ентропію, ентропію Шеннона (інформаційну), зв'язок ентропії і біологічної впорядкованості.
2. Термодинамічна ентропія
Ентропія як фізична величина вперше була введена в термодинаміку Р. Клаузіусом в 1865р. Він визначив зміну ентропії термодинамічної системи при оборотному процесі як відношення зміни загальної кількості тепла ΔQ до величини абсолютної температури T:
\ Delta S = \ frac {\ Delta Q} {T} .
Ентропія в термодинаміці - міра необоротного розсіювання енергії, є функцією стану термодинамічної системи [8].
Існування ентропії обумовлюється Другим початком термодинаміки. Так як будь-яка реальна система, яка зазнає цикл операцій і повертається в своє початкове стан, функціонує, тільки збільшуючи ентропію зовнішнього середовища, з якою дана система знаходиться в контакті. Це також означає, що ні на якому щаблі циклу сума змін ентропії системи і зовнішнього середовища не може бути негативною. Таким чином, другий початок термодинаміки допускає наступне формулювання:
Сума змін ентропії системи і зовнішнього середовища не може спадати.
Відповідно до цього, Всесвіт як єдине ціле не може повернутися в початковий стан.
Рудольфом Клаузіусом ж перше і друге початку термодинаміки були резюмовано так:
Енергія Всесвіту постійна.
Ентропія Всесвіту прагне до максимуму.
[7, С.93].
Через необоротних процесів ентропія ізольованої системи продовжує зростати до тих пір, поки не досягає максимально можливого значення. Досягнуте при цьому стан є стан рівноваги. [7, С. 130] З цього формулювання Другого початку випливає, що в кінці еволюційного процесу Всесвіт повинен прийти в стан термодинамічної рівноваги (у стан теплової смерті), якому відповідає повна дезорганізація системи. Уявлення про теплової смерті Всесвіту, що випливає з формулювання другого початку, запропонованої Клаузіусом, - приклад неправомірного перенесення законів термодинаміки в область, де вона вже не працює. Закони термодинаміки застосовні, як відомо, тільки до термодинамічних систем, Всесвіт ж такою не є [6].
3. Ентропія Всесвіту
Як вже говорилося, закони термодинаміки не можна застосувати до Всесвіту в цілому, так як вона не є термодинамічною системою, однак у Всесвіті можна виділити підсистеми, до яких вживано термодинамічний опис. Такими підсистемами є, наприклад, всі компактні об'єкти (зірки, планети тощо) або реліктове випромінювання (теплове випромінювання з температурою 2,73 К). Реліктове випромінювання виникло в момент Великого вибуху, що призвів до утворення Всесвіту, і мало температуру близько 4000 К. В наш час, тобто через 10-20 млрд років після Великого вибуху, це первинне (реліктове) випромінювання, які прожили всі ці роки у Всесвіті, що , охолодити до вказаної температури. Розрахунки показують, що повна ентропія всіх спостережуваних компактних об'єктів мізерно мала в порівнянні з ентропією реліктового випромінювання. Причина цього, перш за все в тому, що кількість реліктових фотонів дуже велике: на кожен атом у Всесвіті припадає приблизно 10 вересня фотонів [6]. Ентропійне розгляд компонент Всесвіту дозволяє зробити ще один висновок. За сучасними оцінками, повна ентропія тій частині Всесвіту, яка доступна спостереженню, більш ніж в 10 30 разів менше, ніж ентропія речовини цієї ж частини Всесвіту, сконденсованої в чорну діру. Це показує, наскільки далека навколишнє нас частина Всесвіту від максимально неупорядкованого стану.
4 Ентропія та інформація
Вже згаданому Рудольф Клаузиусу також належить інше формулювання Другого початку термодинаміки: «Неможливий процес, єдиним результатом якого була б передача тепла від більш холодного тіла до більш гарячого».
Проведемо уявний експеримент, запропонований Джеймсом Максвеллом у 1867 році: припустимо, посудина з газом розділений непроникною перегородкою на дві частини: праву і ліву. У перегородці отвір з пристроєм (так званий демон Максвелла), яке дозволяє пролітати швидким (гарячим) молекулам газу тільки з лівої частини посудини в праву, а повільним (холодним) молекулам - тільки з правої частини посудини в ліву. Тоді, через великий проміжок часу, гарячі молекули виявляться в правому посудині, а холодні - в лівому [4].
Таким чином, газ у лівій частині резервуара буде нагріватися, а в правій - остигати. Таким чином, в ізольованій системі тепло буде переходити від холодного тіла до гарячого з пониженням ентропії системи в суперечності з другим законом термодинаміки. Л. Сцілард, розглянувши один із спрощених варіантів парадоксу Максвелла, звернув увагу на необхідність отримання інформації про молекулах і відкрив зв'язок між інформацією та термодинамічними характеристиками. Надалі рішення парадоксу Максвелла було запропоновано багатьма авторами. Зміст всіх рішень полягає в наступному: інформацію не можна отримувати безкоштовно. За неї доводиться платити енергією, в результаті чого ентропія системи підвищується на величину, принаймні, рівну її зниженню за рахунок отриманої інформації [1]. У теорії інформації ентропія - це міра внутрішньої невпорядкованості інформаційної системи. Ентропія збільшується при хаотичному розподіл інформаційних ресурсів і зменшується при їх упорядкування [2]. Розглянемо основні положення теорії інформації в тій формі, яку їй надав К. Шеннон. Інформація, яку містить подія (предмет, стан) y про подію (предмет, стан) x дорівнює (будемо використовувати логарифм за основою 2):
I (x, y) = log (p (x / y) / p (x)),
де p (x) - ймовірність події x до настання події y (безумовна імовірність); p (x / y) - ймовірність події x за умови настання події y (умовна ймовірність).
Під подіями x і y звичайно розуміють стимул і реакцію, вхід і вихід, значення двох різних змінних, що характеризують стан системи, подія, повідомлення про нього. Величину I (x) називають власною інформацією, що міститься у події x.
Розглянемо приклад: нам повідомили (y), що ферзь стоїть на шахівниці у позиції x = a4. Якщо до повідомлення ймовірності перебування ферзя у всіх позиціях були однакові і рівні p (x) = 1 / 64, то отримана інформація одно
I (x) = log (1 / (1 / 64)) = log (64) = 6 біт. [3, С.12]
В якості одиниці інформації I приймають кількість інформації в достовірному повідомленні про подію, апріорна ймовірність якого дорівнює 1 / 2. Ця одиниця одержала назву "біт" (від англійського binary digits). [1]
Припустимо тепер, що отримане повідомлення було не цілком точним, наприклад, нам повідомили, що ферзь варто чи то в позиції a3, чи то в позиції a4. Тоді умовна ймовірність його перебування в позиції x = a4 дорівнює вже не одиниці, а p (x / y) = Ѕ. Отримана інформація буде дорівнює
I (x, y) = log ((1 / 2) / (1 / 64)) = 5 біт,
тобто зменшиться на 1 біт в порівнянні з попереднім випадком. Таким чином, взаємна інформація тим більше, чим вище точність повідомлення, і в межі наближається до власної інформації. Ентропію можна визначити як міру невизначеності або як міру різноманітності можливих станів системи. Якщо система може перебувати в одному з m рівноймовірно станів, то ентропія H дорівнює
H = log (m).

Наприклад, число різних можливих положень ферзя на порожній шахівниці одно m = 64. Отже, ентропія можливих станів дорівнює
H = log64 = 8 біт.
Якщо частина шахової дошки зайнята фігурами і недоступна для ферзя, то різноманітність його можливих станів і ентропія зменшуються.
Можна сказати, що ентропія служить мірою свободи системи: чим більше у системи ступенів свобод, чим менше на неї накладено обмежень, тим більше, як правило, і ентропія системи [3, С.13-15]. При цьому нульовий ентропії відповідає повна інформація (ступінь незнання дорівнює нулю), а максимальної ентропії - повне незнання мікростану (ступінь незнання максимальна) [6].
5 негентропії
Явище зниження ентропії за рахунок отримання інформації відбивається принципом, сформульованим у 1953 р . американським фізиком Леоном Брюлліен, що досліджували взаємоперетворення видів енергії. Формулювання принципу наступна: «Інформація є негативний внесок в ентропію». Принцип носить назву негентропійної принципу інформації [5]. Поняття негентропії (те ж, що й негативна ентропія або сінропія) також застосовується до живих систем, воно означає енропію, яку жива система експортує, щоб знизити рівень власної ентропії.

6. Ентропія і життя. Біологічна впорядкованість
Питання про ставлення життя до другого початку термодинаміки - це питання про те, чи є життя острівцем опору другому початку. Дійсно, еволюція життя на Землі залежить від простого до складного, а другий початок термодинаміки пророкує зворотний шлях еволюції - від складного до простого. Зазначене протиріччя пояснюється в рамках термодинаміки незворотних процесів. Живий організм як відкрита термодинамічна система споживає ентропії менше, ніж викидає її в навколишнє середовище. Величина ентропії в харчових продуктах менше, ніж у продуктах виділення. Іншими словами, живий організм існує за рахунок того, що має змогу викинути ентропію, що виробляється в ньому внаслідок незворотних процесів, в навколишнє середовище [6].
Так, яскравим прикладом є упорядкованість біологічної організації людського тіла. Зниження ентропії при виникненні такої біологічної організації з легкістю компенсується тривіальними фізичними і хімічними процесами, зокрема, наприклад, випаровуванням 170 г води [1].
Науковий потенціал ентропії далеко не вичерпаний вже існуючими додатками. У перспективі проникнення ентропії в нову галузь науки - синергетику, яка займається вивченням закономірностей утворення і розпаду просторово-часових структур в системах різної природи: фізичних, хімічних, біологічних, економічних, соціальних і так далі.

Список використаних джерел
1 Блюменфельд Л.А. Інформація, динаміка і конструкція біологічних систем. Режим доступу: http://www.pereplet.ru/obrazovanie/stsoros/136.html.
2 Глосарій. Режим доступу: http://www.glossary.ru/cgi-bin/gl_sch2.cgi?RIt (uwsg.o9.
3 Голіцин Г. А. Інформація. Поведінка, мова, творчество.М: ЛКІ, 2007р.
4 Демон Максвелла - Вікіпедія. Режим доступу: http://ru.wikipedia.org/wiki/Демон_Максвелла.
5 негентропії - Наука. Режим доступу: http://ru.science.wikia.com/wiki/Негэнтропия.
6 Осіпов А. І., Уваров А. В. Ентропія та її роль у науці. - МДУ ім. М. В. Ломоносова, 2004.
7 Пригожин Сучасна термодинаміка, М.: Світ, 2002.
8 Термодинамічна ентропія - Вікіпедія. Режим доступу: http://ru.wikipedia.org/wiki/Термодинамическая_энтропия.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Біологія | Реферат
27кб. | скачати


Схожі роботи:
Особливості сучасної наукової картини світу
Розвиток сучасної публіцистичної картини світу
Універсальний еволюціонізм як основа сучасної наукової картини світу
Характеристика пізнавальних процесів та їх роль у формуванні картини світу людини
Виникнення наукової картини світу
Універсальний еволюціонізм як основа сучасної наукової картини
Картини світу Філософська теорія буття
Реконструкція картини світу людини сталінської епохи
Перські мотиви реалістичні картини інонаціонального світу
© Усі права захищені
написати до нас