Достижения современного естествознания: информационные технологии

      Мультимедиа — это объединение нескольких каналов передачи информации от машины к человеку: звук, изображение, реже — движение реальных предметов. Подразумевается и обратная связь — действия человека должны напрямую и существенно влиять на ход событий в системе. Разработчики современных мультимедийных систем стремятся к возможно более точному моделированию реальности, созданию виртуального мира, в котором человек мог бы совершать то, что недоступно ему в реальности, и в котором он занимал бы ведущее место. Для этого прилагаются всевозможные усилия. Так, создан специальный шлем, позволяющий получить сразу несколько преимуществ: улучшенное восприятие стереофонического (объемного) звучания, возможность создания стереоскопического изображения. Специальные датчики следят за поворотами головы человека, и на мини-дисплеях меняется видеоинформация перед его глазами сообразно той картине, которую он должен увидеть, повернувшись.

      Создание  искусственной информационной природы — мультимедийной среды с ее альтернативной реальностью — виртуальным миром — имеет в определенном смысле те же характерные признаки. Исходная задача создания искусственной информационной природы заключалась, прежде всего, в управлении машинами. В качестве примера можно привести первый автоматический регулятор паровой машины Уатта. Усложнялась конструкция машин, и вместе с этим становились все сложнее устройства управления, многие из которых по "интеллектуальным" возможностям превосходят даже самого подготовленного специалиста. Профессионалы создают устройства управления микроклиматом жилища, различными средствами транспорта и технологическими комплексами. Программирование работы устройств искусственной информационной природы требует знания не только возможностей технических средств управления, их структуры и специфики, но и свойств рецепторного и рефлекторного аппаратов человека, а также законов психологии восприятия визуальных, акустических и тактических образов.

      Программы функционирования таких устройств  довольно сложны и доступны лишь узкому кругу специалистов. И вне всякого  сомнения развитие работ в данном направлении вполне органично вписывается  в более общую проблему совершенствования  мультимедийных систем — именно в этом проявляется их неоспоримое положительное качество.

      Стремительный рост информационного потока активизирует защитную реакцию человека, и неосознанно  начинает появляться желание отгородиться от внешнего информационного воздействия: люди нашего поколения, как никогда  ранее, почувствовали усталость  от различного рода политической информации и прежде всего от явных идеологических спекуляций. В этом заключается одна из причин чрезвычайно большой популярности современной аудио- и видеотехники, позволяющей в определенной степени отгородиться от внешнего информационного потока. Но при этом не нужно забывать, что. индивидуальные устройства памяти любых любимых видео- и аудиосюжетов выбираются из общего идеологического "корыта", заполняется которое чаще всего зарубежными "доброжелателями", преследующими вполне определенные политические цели. 

2. Начала термодинамики

Термодинамика  -         наука о наиболее общих свойствах макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и о процессах перехода между этими состояниями. Термодинамика  строится на основе фундаментальных принципов (начал), которые являются обобщением многочисленных наблюдений и выполняются независимо от конкретной природы образующих систему тел. Поэтому закономерности в соотношениях между физическими величинами, к которым приводит термодинамика, имеют универсальный характер.         

 Первое  начало термодинамики. Существуют  два принципиально различающихся  способа изменения состояния  системы: первый связан с работой  системы по перемещению на  макроскопические расстояния окружающих  тел (или работой этих тел  над системой); второй — с сообщением  системе теплоты (или с отводом  теплоты) при неизменном расположении  окружающих тел. В общем случае  переход системы из одного  состояния в другое связан  с сообщением системе некоторого  количества теплоты ΔQ и совершением  системой работы ΔА над внешними  телами. Как показывает опыт, при  заданных начальном и конечном  состояниях ΔQ и ΔА существенно  зависят от пути перехода. Другими  словами, эти величины являются  характеристиками не отдельного  состояния системы, а совершаемого  ею процесса. Первое начало термодинамики утверждает, что если система совершает термодинамический цикл (то есть возвращается в конечном счёте в исходное состояние), то полное количество теплоты, сообщенное системе на протяжении цикла, равно совершенной ею работе.        

 Первое  начало Термодинамики представляет  собой по существу выражение  закона сохранения энергии для  систем, в которых существенную  роль играют тепловые процессы. Энергетическая эквивалентность  теплоты и работы, то есть возможность  измерения их количеств в одних  и тех же единицах и тем  самым возможность их сравнения  была доказана опытами Ю. Р. Майера (1842) и особенно Дж. Джоуля. Первое начало термодинамики было сформулировано Майером, а затем в значительно более ясной форме Г. Гельмгольцем (1847). Приведённая выше формулировка первого начала равнозначна, очевидно, утверждению о невозможности вечного двигателя) 1-го рода.        

 Из  первого начала следует, что  в случае незамкнутого процесса (когда система не возвращается  в исходное состояние) разность  ΔQ — ΔА ≡ ΔU хотя и  не равна, вообще говоря, нулю, но во всяком случае не зависит от пути перехода между данными состояниями. Действительно, произвольный процесс в обратном направлении образует с каждым из прямых процессов замкнутый цикл, для которого указанная разность обращается в нуль. Таким образом, ΔU представляет собой приращение величины U, имеющей в каждом состоянии вполне определённое значение, или, как говорят, являющейся функцией состояний системы. Эта величина называется внутренней энергией (или просто энергией) системы. Таким образом, из первого начала Т. вытекает, что существует характеристическая функция состояния системы — её энергия. Если речь идёт об однородном теле, которое способно совершать работу только при изменении объёма, то ΔА = pdV и бесконечно малое приращение (дифференциал) U равно:         

dU = dQ –  pdV, (1)        

где dQ —  бесконечно малое приращение теплоты, не являющееся, однако, дифференциалом какой-либо функции. При фиксированном  объёме (dV = 0) вся сообщаемая телу теплота  идёт на приращение внутренней энергии, и поэтому, в частности, Теплоёмкость тела при постоянном объёме cv = (dU/dT) v. Вводя другую функцию состояний H = U + pV (энтальпию), дифференциал которой         

dH = dU + Vdp, (2)

можно получить выражение для теплоёмкости, измеряемой при постоянном давлении: ср = (dH/dT) p. В случае идеального газа, который описывается уравнением состояний Клапейрона pV = nRT (n — число  молей газа в объёме V, R — Газовая постоянная), как свободная энергия, так и энтальпия определённой массы газа зависят только от Т, что подтверждается, например, отсутствием охлаждения в процессе Джоуля — Томсона. Поэтому для идеального газа cp — cv = nR.        

 Второе  начало термодинамики. Запрещая  вечный двигатель 1-го рода, первое  начало Т. не исключает возможности  создания такой машины непрерывного  действия, которая была бы способна  превращать в полезную работу  практически всю подводимую к  ней теплоту (так называемый  вечный двигатель 2-го рода). Однако  весь опыт по конструированию  тепловых машин, имевшийся в  начале 19 в., указывал на то, что  кпд этих машин (отношение затраченной  теплоты к полученной работе) всегда существенно меньше единицы:  часть теплоты неизбежно рассеивается  в окружающую среду. С. Карно первым показал (1824), что это обстоятельство имеет принципиальный характер, то есть любая тепловая машина должна содержать помимо нагревателя (источника теплоты) и рабочего тела, совершающего термодинамический цикл (например, пара), также и холодильник, имеющий температуру, обязательно более низкую, чем температура нагревателя. Второе начало термодинамики представляет собой обобщение вывода Карно на произвольные термодинамические процессы, протекающие в природе. Р. Клаузиус (1850) дал 2-му началу следующую формулировку: теплота не может самопроизвольно перейти от системы с меньшей температурой к системе с большей температурой. Независимо в несколько иной форме этот принцип высказал У. Томсон (Кельвин) в 1851: невозможно построить периодически действующую машину, вся деятельность которой сводилась бы к поднятию некоторого груза (совершению механической работы) и соответствующему охлаждению теплового резервуара. Несмотря на качественный характер этого утверждения, оно приводит к далеко идущим количественным следствиям.         

 Прежде  всего оно позволяет определить  максимальный кпд тепловой машины. Если машина работает на основе  цикла Карно , то на протяжении изотермического контакта с нагревателем (Т = T1) рабочее тело получает количество теплоты Δ Q1, а на другом изотермическом участке цикла, находясь в контакте с холодильником (Т = Т2), отдаёт ему количество теплоты Δ Q2. Отношение ΔQ2/ΔQ1 должно быть одним и тем же у всех машин с обратимым циклом Карно, у которых одинаковы соответственно температуры нагревателей и холодильников, и не может зависеть от природы рабочего тела. Если бы это было не так, то машину с большей величиной указанного отношения можно было бы заставить работать в обратном направлении (поскольку циклы обратимы), приводя её в действие с помощью машины с меньшей величиной отношения. Эта комбинированная машина обладала бы тем свойством, что в ней теплота от холодильника передавалась бы нагревателю без совершения работы. Согласно 2-му началу Т. это невозможно, и поэтому отношение ΔQ2 /ΔQ1 у обеих машин должно быть одинаковым. В частности, оно должно быть тем же, что и в случае, когда рабочим телом является идеальный газ. Здесь это отношение легко может быть найдено, и, таким образом, оказывается, что для всех обратимых циклов Карно        

Это выражение  называется пропорцией Карно. В результате для всех машин с обратимым  циклом Карно кпд максимален и  равен η= (T1 — T2)/T1. В случае, если цикл необратим, то кпд оказывается меньше этой величины. Необходимо подчеркнуть, что пропорция Карно и кпд  цикла Карно имеют указанный  вид только в том случае, если температура измерена в абсолютной температурной шкале. Пропорция  Карно положена в основу определения  абсолютной температурной шкалы. Следствием 2-го начала Т. (пропорции Карно) является существование энтропии как функции состояний. Если ввести величину S, изменение которой при изотермическом обратимом сообщении системе количества теплоты ΔQ есть ΔS = ΔQ/T, то полное приращение S в цикле Карно будет равно нулю; на адиабатических участках цикла ΔS = 0 (так как ΔQ = 0), а изменения на изотермических участках компенсируют друг друга. Полное приращение S оказывается равным нулю и при осуществлении произвольного обратимого цикла, что доказывается разбиением цикла на последовательность бесконечно тонких циклов Карно (с малыми изотермическими участками). Отсюда следует (как и в случае внутренней энергии), что энтропия S является функцией состояния системы, то есть изменение энтропии не зависит от пути перехода. Используя понятие энтропии, Клаузиус (1876) показал, что исходная формулировка 2-го начала Т. полностью эквивалентна следующей: существует функция состояния системы, её энтропия S, приращение которой при обратимом сообщении системе теплоты равно        

dS = dQ/T; (4)        

при реальных (необратимых) адиабатических процессах  энтропия возрастает, достигая максимальное значения в состоянии равновесия.         

 Термодинамические  потенциалы. Определение энтропии  позволяет написать следующие  выражения для дифференциалов  внутренней энергии и энтальпии:          

 dU = TdS – pdV, dH = TdS + Vdp. (5)        

Отсюда  видно, что естественными независимыми параметрами состояния для функций U и Н являются соответственно пары S, V и S, р. Если же вместо энтропии в качестве независимого параметра используется температура, то для описания системы  более удобны свободная энергия  (Гельмгольцева энергия, или изохорно-изотермический потенциал) F = U — TS (для переменных Т и V) и термодинамический потенциал G = Н — TS для переменных Т и р (Гиббсова энергия, или изобарно-изотермический потенциал), дифференциалы которых равны         

 dF = – SdT – pdV, dG = –SdT + Vdp. (6)        

Функции состояний U, Н, F и G называются потенциалами термодинамическими системы для  соответствующих пар независимых  переменных. Метод термодинамических  потенциалов (Дж. Гиббс, 1874—1878), основанный на совместном применении 1-го и 2-го начал  Т., позволяет получить ряд важных термодинамических соотношений  между различными физическими свойствами системы. Так, использование независимости  вторых смешанных производных от порядка дифференциро 

3. Понятие « Энтропия».  Тепловая смерть  Вселенной

Энтропия (от греч. entropia - поворот, превращение) - мера неупорядоченности больших  систем. Впервые понятие "энтропия" введено в XIX в. в результате анализа  работы тепловых машин, где энтропия характеризует ту часть энергии, которая рассеивается в пространстве, не совершая полезной работы (отсюда определение: энтропия - мера обесценивания энергии). Затем было установлено, что энтропия характеризует вероятность определенного состояния любой физической системы среди множества возможных ее состояний. В закрытых физических системах все самопроизвольные процессы направлены к достижению более вероятных состояний, т. е. к максимуму энтропии . В равновесном состоянии, когда этот максимум достигается, никакие направленные процессы невозможны. Отсюда возникла гипотеза о тепловой смерти Вселенной. Однако распространение на всю Вселенную законов, установленных для закрытых систем, не имеет убедительных научных оснований. В XX в. понятие " энтропия " оказалось плодотворным для исследования биосистем, а также процессов передачи и обработки информации. Эволюция в целом и развитие каждого организма происходит благодаря тому, что биосистемы, будучи открытыми, питаются энергией из окружающего мира. Но при этом биопроцессы протекают таким образом, что связанные с ними "производство энтропии " минимально. Это служит важным руководящим принципом и при разработке современных технологических процессов, при проектировании технических систем. Количественная мера информации формально совпадает с "отрицательно определенной " энтропией. Но глубокое понимание соответствия энтропии физической и информационной остается одной из кардинальных недостаточно исследованных проблем современной науки. Ее решение послужит одним из важных факторов становления нового научно-технического мышления.