Термодинамический и статистический методы описания систем

 

Содержание.

 Введение………………………………………………………………………..3

1.  Термодинамический  и статистический  методы описания  систем……….4

2. Дифференциация и  интеграция - логики развития науки………………….8

3.  Образование и  эволюция звезд……………………………………………..10

Заключение……………………………………………………………………...19

Список используемой литературы……………………………………………..

 

                                                          Введение. 
             Если попытаться, хотя бы в самом общем виде, представить себе историю мысленного овладения миром, то в ней обнаруживаются, "переплетаются" три линии, три направления, образующие единство цивилизационного процесса - действие (Д)- знание (З)- понимание (П). Они не только взаимодействуют - они дополняют, взаимно инициируют друг друга:  Так, в предельно сжатой и упрощенной форме можно определить суть именно человеческого существования - овладение миром в процессе деятельностного, познавательного, осмысленного существования в нем. Осваивая природу, человек обобщает, сохраняет в знании прежний опыт, осмысливает достигнутое, прорывается в новые сферы неведомого, реализуя на новом уровне бесконечной спирали свои возможности созидания, творения нового, преобразуемого трудом, разумом и творческим осмыслением природы. В общем, действие опосредованно знанием, знание - пониманием, а оно в свою очередь открывает новые возможности эффективных действий. Принципиальным, для понимания предложенной схемы, отражающей единство прошлого, настоящего и будущего, - является также возникающее и постоянно преодолеваемое противоречие между конкретным единичным действием и его "сохранением" в абстрактной (обобщенной) форме.

           Не претендуя на строгость,  можно заметить, что из мыслей  и слов вырастают идеи, теории, системы мыслительных процедур, формируется наука. Затем вступают в действие принципы дифференциации знаний. Чтобы быть эффективной, наука становится специальной. В свою очередь, дифференциация неизбежно порождает интегративные процессы, взаимодействие которых определяет универсальную особенность саморазвития человечества, его познавательной активности. В самом общем виде, можно выделить три направления (три крупных "блока") развития науки. Учения о природе, об обществе, о человеке и его мышлении. Реализуется  также,  как совокупное знание о мире и его осмыслении, философская составляющая умственного прогресса, объединяющая онтологические, гносеологические, методологические и, наконец, аксеологические (ценностные) аспекты познания. В рамках обсуждения концепций современного естествознания философский аспект (прежде всего, как теоретико-методологический) будет постоянно необходимым и действующим.

 

 

 

 

 

                

 

                    1. Термодинамический и статистический методы

                                            описания систем. 

        Все физические законы делятся на две большие группы: динамическиеи статистические.

Динамическими называют законы, отражающие объективную закономерность в форме однозначной связи физических величин. Динамическая теория это такие законы, когда любое состояние   представляет собой вероятностную характеристику системы. Здесь действуют статистические распределения величин. Это означает, что в статистических теориях состояние определяется не значениями физических величин, а их распределениями. Нахождение средних значений физических величин - главная задача статистических теорий.

Первые статистические теории стали возникать в XIX в.: молекулярно –кинетическая теория, статистическая механика в физике, дарвиновская  теория эволюции (основанная на представлениях о неопределенной, то есть случайной изменчивости), менделеевская генетика. Большинство же ныне действующих статистических теорий появились уже в XX в. Со  статистическими теориями в естествознание вошло фундаментальное  понятие флуктации. Флуктация – это случайное отклонение характеристик  системы от наиболее вероятного или среднего значения.

Вероятностные характеристики состояния совершенно отличаются от характеристик состояния в динамических теориях. Статистические законы и теории являются более совершенной формой описания физических  законномерностей, так как любой известный сегодня процесс в природе более точно описывается статистическими законами, чем динамическими. Различие  между ними в одном – в способе описания состояния системы.

Смена  динамических теорий статистическими не означает,  что старые  теории отменены и сданы в архив. Практическая их ценность в определе-нных  границах нисколько не умаляется. При разговоре о смене теорий имеется в виду, в первую очередь, смена глубоких физических представлений более  глубокими представлениями о сущности явлений, описание которых дается  соответствующими теориями. Одновременно  со сменой физических представлений расширяется область применения теории. Статистические теории  расширяются на  больший круг явлений, недоступных динамическим  теориям. Понятие энтропии – меры хаоса – связано  с  развитием термодинамики и формулированием ее двух основных законов.

      Первый закон термодинамики является законом сохранения энергии

применительно к тепловым процессам. Этот закон утверждает  невозможность создания вечного двигателя первого рода, который бы производил работу без подведения энергии.

     Этот закон утверждает, что тепловая  энергия подведенная  к  замкнутой

системе, расходуется на увеличение ее внутренней  энергии и работу, производимую против внешних сил.

      Согласно первому закону термодинамики могут протекать только такие

процессы, при которых полная энергия системы остаются постоянной.

Например, превращение тепловой энергии полностью в механическую не

связано с нарушением первого закона термодинамики , но тем не менее оно

невозможно. Второй закон термодинамики еще больше ограничивает возможность процессов превращения.

      Второй закон термодинамики утверждает, что не может быть создан вечный двигатель второго рода, который бы производил работу за счет тепла окружающей среды, без каких-либо изменения в окружающих телах. То есть в  природе  не  может  быть  процессов, единственным  результатом  бы-ло бы превращение теплоты в работу. Этот закон утверждает, что во всех яв-лениях природы теплота сама переходит от более нагретых тел к менее нагретым. Если система замкнута и невозможны никакие ее самопроизвольные превращения, то энтропия достигает максимума. Состояние с наибольшей энтропией соответствует статическому равновесию. Энтропия является мерой вероятности осуществления данного термодинамического состояния или мерой отклонения системы от  статического равновесия.

       Второй закон термодинамики можно сформулировать как закон, согласно которому энтропия теплоизолированной системы будет увеличиваться при необратимых процессах или оставаться постоянной, если процессы обратимы. Это положение касается только изолированных систем.   

       В торой Закон термодинамики говорит о том, что в замкнутой системе при отсутствии каких-либо процессов не может сама по себе возникнуть  разность температур, то есть теплота не может самопроизвольно перейти от более холодных частей тела к  более горячим. 

      Согласно второму закону термодинамики,  любые замкнутые системы должны перейти в более вероятное состояние, характеризуемое термодинамическим равновесием с наименьшей свободной энергией и  наибольшей  величиной энтропии. Поэтому явление спонтанного перехода  вещества из симметричного состояния в асимметричное, сопровождаемое повышением  упорядоченности и энергетического уровня системы и понижением ее энтропии, кажется просто  нереальным. Однако трудности термодинамического характера в вопросе происхождения жизни до сих пор не определены. Решений пока нет.

      Существует точка зрения, что второй закон термодинамики не применим к живым системам, так как они не являются замкнутыми системами. Живые системы – это открытые системы. Энтропия живых молекул весьма низка и  имеет тенденцию к понижению. Этот факт сегодня является общепризнанным, а ее асимметрия не есть состояние динамического равновесия и упорядоченности, более сложной структурности и более высокого энергетического  уровня. Это то самое крайне маловероятное состояние, которое заставляет  усомниться в абсолютности значения. Возрастание энтропии и говорит о необходимости поиска новый физической теории или биологической закономерности, описывающей это состояние.

                      2.  Дифференциация  и интеграция – логика

                                              развития  науки.

В  процессе  развития  человеческого  познания  наука  все  больше  дифференцируется  на  отдельные  отросли,  изучающие  частные  вопросы  многогранной  действительности.  С  другой  стороны,  наука  вырабатывает  единую  картину  мира, отражающую  общие  закономерности  его  развития,  что  приводит  к  более  широкому  синтезу  науки,  то  есть  ко  все  более  углубленному  познанию  природы.

Единство  мира  лежит  в  основе  единства  науки,  к  которому  в  конечном  счете  направлено  развития  знания  на  каждом  отдельном  витке  человеческого  познания.  Путь  к единству  науки  лежит через интеграцию  ее  отдельных  отраслей,  что  предполагает  интеграцию  различных  теорий  и  методов  исследования.

Таким  образом  в  процессе  развития  современных  наук  процессы  дифференциации  переплетаются  с  процессами  наук:  физика  подразделяется  на  механику,  а  та,  в  свою  очередь, на  кинематику,  динамику  и статику;  молекулярную,  атомную,  ядерную  физику,  термодинамику,  электричество,  магнетизм  и  оптику  и  т. д.;  медицинские  институты  готовят  врачей  самых  разных  специальностей:  терапевтов,  хирургов, психиатров, кардиологов,  окулистов и т.д. – спектр  специальностей  очень  широк, но  любой  выпускник  медицинского  института – врач.

Дифференциация  научного  знания  на  отдельные  области  побуждает  выявлять  необходимые  связи  между  ними.  Возникает  много  пограничных  наук,  например,  на  границе  между  физикой  и  химией  возникли  новые  отрасли  науки:  физхимия  и  химфизика  ( в  Москве  при  РАН  есть  институты  физической  химии  и  химической  физики);  на  границе  между  биологией  и  химией – биохимия;  биологией  и  физикой – биофизика.  Отдельные  области  биологии  и  физиологии  перекрещиваются  с  физиологией  высшей  нервной  деятельности.  А. Эйнштейн  в  свое  время  объединил  в  теории  относительности  положения  неэвклидной  геометрии  и  механики.  На  границе  между  психологией  и  языкознанием   была  создана  теория  коммуникации,  взявшая  за  основу  теорию  информации.  Пересечение  логики  с  математикой  способствовало  созданию  математической  логики,  на  основе  языкознания и логики  появилась  новая  наука – семиотика  и  т.д.  Вышеперечисленное  характеризует  все более  высокую  степень  синтеза  между  науками.

Эта  тенденция  в  развитии  научного  знания  трансформируется  в  постановку комплексных  проблем,  повсеместное  распространение  комплексных  исследований,  поиск  путей  синтеза  методов  познания  окружающего  мира.  Но  так  как  сами  методы  в  качестве  своих  предельных  теоретических  оснований  имеют  принципы  познания,  задача  сводится  к  выявлению  объективной  основы – интеграции  принципов,  которая  с  неизбежностью  ведет  к  новым  формам  их  синтеза.  В  силу  единства  науки  интеграция  принципов  в  одной  из  ее  областей  обязательно  связана  с  интеграцией  в  другой.

Обобщая  вышесказанное,  можно  констатировать  тот  факт,  что  дифференциация  и  интеграция  естествознания – процесс  незавершенный, открытый.  Естествознание  не  является  замкнутой  системой,  и  вопрос  о сущности  естествознания  с  каждым  новым  открытием  становится  яснее.

 

 

 

 

 

 

 

                         

 

                          3. Образование и эволюция звезд.

          Как и все тела в природе, звёзды не остаются неизменными, они

рождаются, эволюционируют, и наконец "умирают".   Чтобы проследить

жизненный путь звёзд и понять, как они стареют, необходимо знать, как они  возникают. В прошлом это представлялось большой загадкой ;  современные  астрономы  уже  могут  с  большей  уверенностью  подробно  описать  пути,  ведущие  к  появлению  ярких  звезд  на  нашем  ночном  небосводе. 

Не  так давно астрономы считали, что на образование звезды из межзвёздных газа и пыли требуются миллионы лет. Но в последние годы  были получены поразительные фотографии области неба, входящей в состав  Большой Туманности Ориона, где в течение нескольких лет появилось  небольшое скопление звёзд. На снимках 1947 г. в этом  месте была видна группа   из трёх звездоподобных объектов. К 1954 г. некоторые из  них стали продолговатыми,  а к 1959 г. эти продолговатые образования распались  на  отдельные  звёзды - впервые в истории человечества люди наблюдали  рождение звёзд буквально на глазах этот беспрецедентный случай показал  астрономам, что звёзды могут рождаться за короткий   интервал времени, и  казавшиеся ранее странными рассуждения о  том, что звёзды обычно  возникают в  группах, или звёздных скоплениях, оказались справедливыми. 

Каков же механизм их возникновения?  Почему за многие годы  астрономических визуальных и фотографических наблюдений неба только

сейчас впервые удалось увидеть "материализацию" звёзд? Рождение звезды  не может быть исключительным событием: во многих участках неба