Контрольная работа по "Естествознанию"

СОДЕРЖАНИЕ	С.
ВВЕДЕНИЕ	3

1.Термодинамика как наука.

1.1. Основные термины и  положения термодинамики.

 1.2. «Всеобщий закон биологии» Бауэра.

 1.3.Общие сведения о неравновесной термодинамике.

 1.4 Синергетика и самоорганизующиеся системы

 Заключение

  Список используемой  литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ.

 

 Наука зародилась очень давно, на Древнем Востоке, и затем интенсивно развивалась в Европе. В научных традициях долгое время  оставался  недостаточно  изученным  вопрос  о взаимоотношениях  целого и части. 

Как стало  ясно  в середине 20 века часть может преобразовать целое радикальным и неожиданным образом.

          Из классической термодинамики известно, что изолированные термодинамические системы в соответствии со вторым началом термодинамики для необратимых процессов энтропия системы  S  возрастает до тех пор, пока не достигнет своего максимального значения в состоянии термодинамического равновесия. Возрастание энтропии сопровождается потерей информации о системе.      

 Со временем открытия второго  закона термодинамики встал вопрос  о том, как можно согласовать  возрастание со временем энтропии  в замкнутых системах с процессами  самоорганизации в живой и  не живой природе. Долгое время  казалось, что существует противоречие  между выводом второго закона  термодинамики и выводами эволюционной  теории Дарвина, согласно которой  в живой природе благодаря  принципу отбора непрерывно происходит  процесс самоорганизации.      

 Противоречие между вторым  началом термодинамики и примерами  высокоорганизованного окружающего  нас мира было разрешено с  появлением более пятидесяти  лет назад и последующим естественным  развитием нелинейной неравновесной  термодинамики. Ее еще называют  термодинамикой открытых систем. Большой вклад в становление  этой новой науки внесли И.Р.Пригожин, П.Гленсдорф, Г.Хакен. Бельгийский физик  русского происхождения Илья  Романович Пригожин за работы  в этой области в 1977 году был  удостоен Нобелевской премии.

 

1.Термодинамика как наука

 

Термодинамика - наука о наиболее общих свойствах макроскопических материальных систем, находящихся в различных состояниях относительно термодинамического равновесия, и о процессах переходов между этимисостояниями.

К настоящему времени термодинамика содержит два основных раздела:  

- равновесная термодинамика (термодинамика изолированных систем)

-   неравновесная термодинамика (термодинамика открытых систем)

Неравновесная термодинамика разработана в 20-м веке. Содержит два основных подраздела:

-         слабо неравновесную термодинамику, основы которой разработаны в 1931 Л. Онсагером;

-         сильно неравновесную термодинамику, в основном  разработанную  Г. Хакеном,  И. Пригожиным и  Р. Томом в середине 20-го века.      

Первой работой в области неравновесной термодинамики в биологии  является опубликованная в 1935 году книга Э.Бауэра «Теоретическая биология», в которой был сформулирован  «Всеобщий закон биологии».

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                    1.1. Основные термины и положения термодинамики  

 

Система – это совокупность материальных объектов (тел), ограниченных каким-либо образом от окружающей среды.

В зависимости от характера взаимодействия с окружающей средой термодинамические системы делятся на три типа:

1) изолированная – система, которая не обменивается с  окружающей средой ни веществом, ни энергией;

2)   замкнутая – система,  которая   может   обмениваться    с   окружающей   средой лишь энергией и не может обмениваться веществом;

3)  открытая – система,  которая  обменивается  с  окружающей   средой  и энергией, и веществом.

Живые организмы являются открытыми системами.Состояние любой термодинамической системы характеризуется двумя группами параметров:

Интенсивными термодинамическими параметрами (давление, температура и др.), не зависящими от массы или числа частиц в системе;

Экстенсивными термодинамическими параметрами (общая энергия, энтропия, внутренняя энергия), зависящими от массы или числа частиц в системе.

Изменение параметров термодинамической системы называется термодинамическим процессом.

Энергию системы (W) можно представить как совокупность двух частей: зависящую от движения и положения системы как целого (Wц) и не зависящую от этих факторов (U). 

 

W=Wц+ U

(1.1)

 

 

Вторую составляющую этой совокупности U называют внутренней энергией системы.

Она включает энергию теплового движения частиц, а также химическую  и ядерную энергию, определяющую поступательное, колебательное и вращательное движение молекул, внутримолекулярное взаимодействие и колебание атомов, энергию вращения электронов.

Внутренняя энергия в свою очередь разделяется на свободную энергию и связанную энергию.

Свободная энергия (G) – та часть внутренней энергии, которая может быть использована для совершения работы.

Связанная энергия (Wсв) – та часть энергии, которую нельзя превратить в работу. 

 

U = G + Wсв

(1.2)

 

 

Потоки и Термодинамические силы. В термодинамических системах, в которых имеются градиенты температуры, концентраций компонентов, химических потенциалов, возникают необратимые процессы теплопроводности, диффузии, химических реакций.

Эти процессы характеризуются тепловыми и диффузионными потоками, скоростями химических реакций и т.д.

Они называются общим термином «потоки» и обозначаются Ji, а вызывающие их причины (отклонения термодинамических параметров от равновесных значений) — термодинамическими силами (Хк).

Связь между Ji и Хк, если термодинамические силы малы, записывают в виде линейных уравнений: 

 

 

 

(1.3)

 

 

где i = 1, 2, …, m

1.2. «Всеобщий закон биологии»  Бауэра 

 

Наряду с теоретическими работами физиков над проблемами законов термодинамики, этой же проблемой, но применительно к биологии, в начале 20-го века занимался биолог-теоретик Эрвин Симонович Бауэр.

В то время биология как наука еще не была достаточно развита.  Еще не был известен состав клеток и их основные функции, и было общепринятым считать, что жизнь  - это некоторое вещество с особыми свойствами.

В микроскоп живое вещество различных живых организмов  выглядело практически одинаково в виде клеток с желеобразной массой (которая получила название протоплазма).

Основной задачей, которую поставил перед собой Э. Бауэр  - определить основные термодинамические свойства живых веществ, за которое он принимал молекулы белков в особом, неравновесном состоянии.

Несмотря на целый ряд ошибочных предположений, принципиальным научным достижением Э. Бауэра в этой работе является неопровержимое доказательство того, что живые организмы могут находиться только в устойчивом неравновесном термодинамическом состоянии. Э. Бауэром был сформулирован «Всеобщий закон биологии» в следующей редакции: 

 

«Все и только живые системы никогда не бывают в равновесии и исполняют за счет своей свободной энергии постоянную работу против равновесия, требуемого законами физики и химии при существующих внешних условиях».

 

 

По существу этот закон является Первым законом термодинамики биологических систем.

Э. Бауэром также был сформулирован  «Принцип устойчивого неравновесия живых систем»: 

 

«Для живых систем характерно именно то, что они за счет своей свободной энергии производят работу против ожидаемого равновесия».

 

 

Позже теория Э. Бауэра была полностью подтверждена работами И. Пригожина, Г. Хакена и  Р. Тома. Как утверждает И. Пригожин: «…и биосфера в целом, и ее различные компоненты, живые или неживые, существуют в сильно неравновесных условиях. В этом смысле жизнь, заведомо укладывающаяся в рамки естественного порядка, предстает перед нами как высшее проявление происходящих в природе процессов самоорганизации ».

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.3.Общие сведения о неравновесной термодинамике

 

Термодинамика неравновесных процессов (открытых систем) - один из наиболее важных разделов современной термодинамики, поскольку результаты исследования могут быть приложимы для изучения особенностей процессов, протекающих в живых организмах. Получила развитие в работах бельгийского физикохимика русского происхождения Ильи Пригожина в виде так называемой теории диссипативных структур, дополняющей определенным образом синергетику Германа Хакена.

Классическая термодинамика (ее три «начала») изучает термодинамические равновесные, обратимые процессы. Для неравновесных процессов она устанавливает лишь неравенства, которые указывают возможное направление этих процессов. Фундаментальными работами  И. Р. Пригожина установлено, что вся термодинамика делится на три большие области: равновесную,  в которой производство энтропии, потоки и силы равны нулю, слабо неравновесную, в которой термодинамические силы «слабы», и энергетические потоки линейно зависят от сил,  и сильно неравновесную, или нелинейную, где энергетические потоки нелинейны, а  все термодинамические процессы носят необратимый характер.  Основная задача неравновесной термодинамики  - количественное изучение неравновесных процессов, в частности определение их скоростей в зависимости от внешних условий. В неравновесной термодинамике системы, в которых протекают неравновесные процессы, рассматриваются как непрерывные среды, а их параметры состояния — как полевые переменные, то есть непрерывные функции координат и времени.

Слабо неравновесная (линейная) термодинамика рассматривает термодинамические процессы, происходящие в системах в состояниях, близких к равновесию. Таким образом, линейная термодинамика описывает стабильное, предсказуемое поведение систем, стремящихся к минимальному уровню активности. Первые работы в этой области принадлежат Ларсу Онсагеру, который  в 1931 году  впервые открыл общие соотношения неравновесной термодинамики в линейной, слабо неравновесной области -  «соотношения взаимности». Суть их чисто качественно сводится к следующему: если сила «один» (например, градиент температуры) для слабо неравновесных ситуаций воздействует на поток «два» (например, на диффузию), то сила «два» (градиент концентрации) воздействует на поток «один» (поток тепла).

Таким образом, в слабо неравновесной области практически действуют законы равновесной термодинамики, система ни к чему не стремится и ее поведение в большинстве случаев вполне предсказуемо.

 Сильно неравновесная  термодинамика рассматривает процессы, происходящие в системах, состояние  которых далеко от равновесия.

Когда термодинамические силы, действуя на систему, становятся достаточно большими и выводят ее из линейной области в нелинейную, устойчивость состояния системы и ее независимость от флуктуации значительно уменьшается.

В таких состояниях определенные флуктуации усиливают свое воздействие над системой, вынуждая ее при достижении точки бифуркации – потери устойчивости, эволюционировать к новому состоянию, который может быть качественно отличным от исходного. Происходит самоорганизация системы. Причем считается, что развитие таких систем протекает путем образования нарастающей упорядоченности. На этой основе и возникло представление о самоорганизации материальных систем.

Все материальные системы, от самых малых до самых больших, считаются открытыми, обменивающимися энергией и веществом с окружающей средой и находящимися, как правило, в состоянии, далеком от термодинамического равновесия.

Это свойство материальных систем позволило в свою очередь определить целый ряд новых свойств материи.

 

 

Вот некоторые из них.

- все процессы необратимы, так как они всегда сопровождаются потерями энергии;

- энтропия S в открытых системах имеет две составляющие: deS – характеризует обмен энтропией с внешним миром; diS – характеризует необратимые процессы внутри;

- материя обладает свойством самоорганизации.

Исследования И. Пригожиным живой материи как открытых материальных систем были в основном сосредоточены на сравнительном анализе организации структур живой и неживой материи, термодинамическом анализе реакций гликолиза и ряде других работ.

Широкое распространение механистического мировоззрения совпало с расцветом машинной цивилизации. Наука трактовала вселенную как гигантский механизм. Лаплас утверждал: существо, способное охватить всю совокупность данных о состоянии Вселенной в любой момент времени, способно не только точно предсказать будущее, но и до мельчайших подробностей восстановить прошлое. Необычайно быстрое развитие фабричной цивилизации с большими достижениями инженерной мысли подтвердило правильность представления о Вселенной как о гигантской машине. Однако начавшийся в 20-том веке закат индустриальной цивилизации продемонстрировал ограниченность механистической модели реальности.