Хаос
Космология, наука об эволюции Вселенной – очень молодая наука. Хотя космологические построения являлись сердцевиной многих учений, начиная с древности, все они являются предысторией научной космологии. Лишь создание общей теории относительности Эйнштейна в 1916 году открыло новую, строго научную эру развития этой дисциплины. Современный же этап ее истории свидетельствует о полном слиянии двух в прошлом различных отраслей знания – космологии и физики элементарных частиц – в одну науку. Так что рассматриваемые в космологии модели эволюции Вселенной, в том числе и инфляционная теория – не досужие домыслы фантазеров, а модели, которые еще должны прорабатываться, дополняться, но в рамках которых видится возможность для решения как известных космологических проблем, так и проблем физики элементарных частиц.
Следует отметить высокий темп появления идей и открытий при описании синергетических явлений во всех отраслях науки. Важное значение синергетики состоит в том, что она указывает границы применимости 2 начала термодинамики и, более того, делает это элементом более широкой теории необратимых процессов, в которой предполагается естественное описание с единой точки зрения обоих классов явлений природы.
2. Понятие энтропии. II начало в термодинамике.
Для идеальной машины Карно справедливо, что
(Q1 – Q2) /Q1 = (T1 – T2) / T1.
Отсюда получается равенство
Q1 /T1 = Q2 /T2 или Q1 /T1 – Q2 /T2 = 0.
Так как количество теплоты Q2 отдается холодильнику, его надо взять со знаком «минус». Следовательно, получаем выражение
Q1 /T1 + Q2 /T2 = 0.
Полученное выражение напоминает закон сохранения, а это, в свою очередь, не может не привлечь внимания к величине Q /T.
В 1865 году Клаузиус ввел новое понятие – «энтропия» (от греч. «поворот», «превращение»). Клаузиус посчитал, что существует некоторая величина S, которая, подобно энергии, давлению, температуре, характеризует состояние газа. Когда к газу подводится некоторое количество теплоты, то энтропия возрастает на величину, равную
S = Q /T.
В течение длительного времени ученые не делали различий между такими понятиями, как температура и теплота. Однако ряд явлений указывал на то, что эти понятия следует различать. Так, при таянии льда теплота расходуется, а температура льда не изменяется в процессе плавления. После введения Клаузиусом понятия энтропии стало понятно, где пролегает граница четкого различения таких понятий, как теплота и температура. Дело в том, что нельзя говорить о каком-то количестве теплоты, заключенном в теле. Это понятие не имеет смысла. Теплота может передаваться от тела к телу, переходить в работу, возникать при трении, но при этом она не является сохраняющейся величиной. Поэтому теплота определяется в физике не как вид энергии, а как мера изменения энергии. В то же время введенная Клаузиусом энтропия оказалась величиной, сохраняющейся в обратимых процессах. Это означает, что энтропия системы может рассматриваться как функция состояния системы, ибо изменение ее не зависит от вида процесса, а определяется только начальным и конечным состояниями системы.
Если процесс обратимый, как в круговом цикле Карно, то
Q1 /T1 + Q2 /T2 = 0.
Из этого соотношения следует, что энтропия рабочего тела на первой стадии возрастает ровно настолько, насколько она уменьшается на третьей стадии. На второй и на четвертой стадиях энтропия рабочего тела не изменяется, так как процессы здесь протекают адиабатически, без теплообмена.
Иными словами, в случае обратимых процессов delta S = 0, то естьS = const – энтропия изолированной системы в случае обратимых процессов постоянна.
При необратимых процессах получаем закон возрастания энтропии:
delta S > 0.
Для того чтобы осуществить обратимый процесс, необходимо добиться очень медленного расширения или сжатия рабочего тела, чтобы изменения системы представляли собой последовательность равновесных состояний. В таком цикле совершение какой-либо полезной работы потребует бесконечно большого времени. Чтобы получить работу в короткие промежутки времени, то есть хорошую мощность, приходится нарушать условия идеального цикла. А это сразу приведет к неодинаковости температуры на разных участках системы, к потокам тепла от более горячих участков к менее горячим, то есть к возрастанию энтропии системы.
Для описания термодинамических процессов I начала термодинамики оказывается недостаточно, ибо I начало термодинамики не позволяет определить направление протекания процессов в природе. Тот факт, что энтропия изолированной системы не может убывать, а только возрастает и достигает максимального значения в равновесном состоянии, является отражением того, что в природе возможны процессы, протекающие только в одном направлении – в направлении передачи тепла только от более горячих тел менее горячим.
Существуют различные формулировки II начала термодинамики. Все они являются эквивалентными. Вот некоторые из них:
1. Невозможны такие процессы, единственным конечным результатом которых был бы переход тепла от тела, менее нагретого, к телу, более нагретому.
2. В природе возможны процессы, протекающие только в одном направлении – в направлении передачи тепла только от более горячих тел менее горячим.
3. КПД любой тепловой машины всегда меньше 100%, то есть невозможен вечный двигатель.
4. КПД любой реальной тепловой машины всегда меньше КПД идеальной тепловой машины.
5. Энтропия изолированной системы при протекании необратимых процессов возрастает, ибо система, предоставленная самой себе, переходит из менее вероятного состояния в более вероятное. Энтропия системы, находящейся в равновесном состоянии, максимальна и постоянна.
4. Энтропия и вероятность.
В основе термодинамики лежит различие между двумя типами процессов – обратимыми и необратимыми.
Физический смысл энтропии, само понятие энтропии, введено в физическую теорию как раз для того, чтобы отличать в случае изолированных систем обратимые процессы (энтропия максимальна и постоянна) от необратимых процессов (энтропия возрастает).