Достижения современного естествознания: информационные технологии

Энтропия  широко применяется и в других областях науки: в статистической физике как мера вероятности осуществления какого-либо макроскопического состояния; в теории информации как мера неопределенности какого-либо опыта (испытания), который может иметь разные исходы. Эти трактовки имеют глубокую внутреннюю связь. Например, на основе представлений об информационной энтропии можно вывести все важнейшие положения статистической физики.

Понятие энтропия, как показал впервые  энтропию Шрёдингер (1944), существенно  и для понимания явлений жизни. Живой организм с точки зрения протекающих в нём физико-химических процессов можно рассматривать  как сложную открытую систему, находящуюся  в неравновесном, но стационарном состоянии. Для организмов характерна сбалансированность процессов, ведущих к росту энтропии, и процессов обмена, уменьшающих  её. Однако жизнь не сводится к простой  совокупности физико-химических процессов, ей свойственны сложные процессы саморегулирования. Поэтому с помощью  понятия энтропии нельзя охарактеризовать жизнедеятельность организмов в  целом.

Энтропия, характеризуя вероятность осуществления  данного состояния системы, согласно (1) является мерой его неупорядоченности. Изменение энтропии DS обусловлено  как изменением р, V и Т, так и  процессами, протекающими при р, Т = const и связанными с превращением веществ, включая изменение их агрегатного  состояния, растворение и химическое взаимодействие.

Изотермическое  сжатие вещества приводит к уменьшению, а изотермическое расширение и нагревание - к увеличению его Энтропия, что  соответствует уравнениям, вытекающим из первого и второго начал  термодинамики:

(1);

(3) 

В соответствии с (3) энтропия измеряется в кал/(моль·  К) (энтропийная единица - э. е.) и дж/(моль·К). При расчётах обычно применяют значения Энтропия в стандартном состоянии, чаще всего при 298,15 К (25 °С), т. е. S0298.

Энтропия  увеличивается при переходе вещества в состояние с большей энергией. D S сублимации > DS парообразования >> DS плавления >DS полиморфного превращения. Например, энтропия воды в кристаллическом  состоянии равна 11,5, в жидком - 16,75, в газообразном - 45,11 э. е.

Чем выше твёрдость вещества, тем меньше его  энтропия; так, энтропия алмаза (0,57 э. е.) вдвое меньше энтропии графита (1,37 э. е.). Карбиды, бориды и другие очень  твёрдые вещества характеризуются  небольшой Энтропия аморфного тела несколько больше энтропии кристаллического. Возрастание степени дисперсности системы также приводит к некоторому увеличению её энтропии.

Энтропия  возрастает по мере усложнения молекулы вещества; так, для газов N2О, N2O3 и N2O5 Энтропия составляет соответственно 52,6; 73,4 и 85,0 э. е. При одной и той  же молекулярной массе энтропия разветвленных  углеводородов меньше энтропии неразветвлённых; энтропия циклоалкана (циклана) меньше энтропии соответствующего ему алкена.

Энтропия  простых веществ и соединений (например, хлоридов ACIn), а также её изменения при плавлении и  парообразовании являются периодическими функциями порядкового номера соответствующего элемента. Периодичность изменения  энтропии для сходных химических реакций типа 1/n Акрист + 1/2Сl2газ = 1/n ACln крист практически не проявляется. В совокупности веществ-аналогов, например АСl4газ (А - С, Si, Ge, Sn, Pb) энтропия изменяется закономерно. Сходство веществ (N2 и СО; CdCl2 и ZnCl2; Ag2Se и Ag2Te; ВаСОз и BaSiO3; PbWO4 и РЬМоО4) проявляется в близости их энтропии. Выявление закономерности изменения энтропии в рядах подобных веществ, обусловленного различиями в их строении и составе, позволило разработать методы приближённого расчёта энтропии.

Знак  изменения энтропии при химической реакции DS х. р. определяется знаком изменения  объёма системы DV х. р.; однако возможны процессы (изомеризация, циклизация), в  которых DS х. р. № 0, хотя DV х. р. » 0. В соответствии с уравнением DG = DН - ТDS (G - гиббсова энергия, Н - энтальпия) знак и абсолютное значение DS х. р. важны для суждения о влиянии  температуры на равновесие химическое. Возможны самопроизвольные экзотермические. процессы (DG < 0, DH < 0), протекающие  с уменьшением энтропии (DS < 0). Такие  процессы распространены, в частности, при растворении (например, комплексообразование), что свидетельствует о важности химических взаимодействий между участвующими в них веществам 

Тепловая  смерть Вселенной  - это вывод  о том, что все виды энергии  во Вселенной в конце концов должны перейти в энергию теплового  движения, которая равномерно распределится  по веществу Вселенной, после чего в  ней прекратятся все макроскопические процессы.

Этот  вывод был сформулирован Р. Клаузиусом (1865) на основе второго начала термодинамики. Согласно второму началу, любая физическая система, не обменивающаяся энергией с  другими системами (для Вселенной  в целом такой обмен, очевидно, исключен), стремится к наиболее вероятному равновесному состоянию - к  так называемому состоянию с  максимумом энтропии.  
Такое состояние соответствовало бы Т.С.В. Ещё до создания современной космологии были сделаны многочисленные попытки опровергнуть вывод о Т.С.В. Наиболее известна из них флуктуационная гипотеза Л. Больцмана (1872), согласно которой Вселенная извечно пребывает в равновесном изотермическом состоянии, но по закону случая то в одном, то в другом её месте иногда происходят отклонения от этого состояния; они происходят тем реже, чем большую область захватывают и чем значительнее степень отклонения. 
 Современной космологией установлено, что ошибочен не только вывод о тепловой смерти Вселенной., но ошибочны и ранние попытки его опровержения. Связано это с тем, что не принимались во внимание существенные физические факторы и прежде всего тяготение. С учётом тяготения однородное изотермическое распределение вещества вовсе не является наиболее вероятным и не соответствует максимуму энтропии. 
 Наблюдения показывают, что Вселенная резко нестационарна. Она расширяется, и почти однородное в начале расширения вещество в дальнейшем под действием сил тяготения распадается на отдельные объекты, образуются скопления галактик, галактики, звёзды, планеты. Все эти процессы естественны, идут с ростом энтропии и не требуют нарушения законов термодинамики. Они и в будущем с учётом тяготения не приведут к однородному изотермическому состоянию Вселенной - к Т.С.В. Вселенная всегда нестатична и непрерывно эволюционирует.

Термодинамический парадокс в космологии, сформулированный во второй половине ХIХ века, непрерывно будоражит с тех пор научное  сообщество. Дело в том, что он затронул наиболее глубинные структуры научной  картины мира. Хотя многочисленные попытки разрешения этого парадокса  приводили всегда лишь к частным  успехам, они порождали новые, нетривиальные  физические идеи, модели, теории. Термодинамический  парадокс выступает неиссякаемым источником новых научных знаний. Вместе с  тем, его становление в науке  оказалось опутанным множеством предубеждений и совершенно неверных интерпретаций.

 Тепловая  смерть - это такое состояние вещества  и энергии во Вселенной, когда  исчезли градиенты параметров, их  характеризующих. 
 Развитие принципа необратимости, принципа возрастания энтропии состояло в распространении этого принципа на Вселенную в целом, что и было сделано Клаузиусом. 

Итак, согласно второму началу все физические процессы протекают в направлении передачи тепла от более горячих тел  к менее горячим, а это означает, что медленно, но верно идет процесс  выравнивания температуры во Вселенной. Следовательно, в будущем ожидается  исчезновение температурных различий и превращение всей мировой энергии  в тепловую, равномерно распределенную во Вселенной. Вывод Клаузиуса был  следующим: 
1. Энергия мира постоянна1. Энергия мира постоянна

2. Энтропия  мира стремится к максимуму.

Таким образом, тепловая смерть Вселенной  означает полное прекращение всех физических процессов вследствие перехода Вселенной  в равновесное состояние с  максимальной энтропией. 

Больцман, открывший связь энтропии S и статистического  веса P, считал, что нынешнее неоднородное состояние Вселенной есть грандиозная  флуктуация*, хотя ее возникновение  имеет ничтожно малую вероятность. Современники Больцмана не признавали его взглядов, что привело к  жестокой критике его работ и, по-видимому, привело к болезненному состоянию и самоубийству Больцмана  в 1906 г.

Обратившись к исходным формулировкам идеи тепловой смерти Вселенной, можно видеть, что  они далеко не во всем соответствуют  их хорошо известным интерпретациям, сквозь призму которых эти формулировки нами обычно воспринимаются. Принято  говорить о теории тепловой смерти или термодинамическом парадоксе  В. Томсона и Р. Клаузиуса.  
Но, во-первых, соответствующие мысли этих авторов далеко не во всем совпадают, во-вторых, в приводимых ниже высказываниях ни теории, ни парадокса не содержится.

В. Томсон, анализируя проявляющуюся в природе  общую тенденцию к рассеянию  механической энергии, не распространял  ее на мир как целое. Он экстраполировал  принцип возрастания энтропии лишь на протекающие в природе крупномасштабные процессы.

Напротив, Клаузиус предложил экстраполяцию  этого принципа именно на Вселенную  как целое, выступавшую для него всеобъемлющей физической системой. По словам Клаузиуса «общее состояние  Вселенной должно все больше и  все больше изменяться» в направлении, определяемом принципом возрастания  энтропии и, следовательно, это состояние  должно непрерывно приближаться к некоторому предельному состоянию Флуктуации и проблема физических границ 2-го Начала термодинамики. Пожалуй, впервые термодинамический  аспект в космологии обозначил еще  Ньютон. Именно он подметил эффект «трения» в часовом механизме Вселенной  – тенденцию, которую в середине XIX в. назвали ростом энтропии. В духе своего времени Ньютон призвал на помощь Господа Бога. Он и был  приставлен сэром Исааком к слежению за подзаводом и ремонтом этих «часов». 
В рамках космологии термодинамический парадокс был осознан в середине XIX в. Дискуссия о парадоксе породила ряд блестящих идей широкого научного значения («шредингерово» объяснение Л. Больцманом «антиэнтропийности» жизни; введение им флуктуаций в термодинамику, фундаментальные следствия чего в физике не исчерпаны до сих пор; его же грандиозная космологическая флуктуационная гипотеза, за концептуальные рамки которой физика в проблеме «тепловой смерти» Вселенной так еще и не вышла; глубокая и новаторская, но тем не менее исторически ограниченная флуктуационная трактовка Второго Начала. 
Современное состояние науки также не согласуется с предположением о тепловой смерти Вселенной.

Прежде  всего, этот вывод имеет отношение  к изолированной системе и  не ясно, почему Вселенную можно  относить к таким системам. 
Во Вселенной действует поле тяготения, которое не принималось Больцманом во внимание, а оно ответственно за появление Звезд и Галактик: силы тяготения могут привести к образованию структуры из хаоса, могут породить Звезды из Космической пыли.

. На  протяжении XIX века были сформулированы  основные положения (начала) термодинамики  изолированных систем. В первой  половине XX века термодинамика развивалась  в основном не вглубь, а вширь,  возникали различные ее разделы:  техническая, химическая, физическая, биологическая и т. д. термодинамики.  Только в сороковых годах появились  работы по термодинамике открытых  систем вблизи точки равновесия, а в восьмидеесятых годах возникла  синергетика. Последнюю можно  трактовать как термодинамику  открытых систем вдали от точки  равновесия. 
Итак, современное естествознание отвергает концепцию «тепловой смерти» применительно к Вселенной в целом. Дело в том, что Клаузиус прибегнул в своих рассуждениях к следующим экстраполяциям: 
1. Вселенная рассматривается как замкнутая система.

2. Эволюция  мира может быть описана как  смена его состояний. 
Для мира как целого состояния с максимальной энтропией это имеет  смысл, как и для любой конечной системы.

Но сама по себе правомочность этих экстраполяций  весьма сомнительна, хотя связанные  с ними проблемы представляют трудность  и для современной физической науки.

В адиабтически изолированной термодинамической  системе энтропия не может убывать: она или сохраняется, если в системе  происходят только обратимые процессы, или возрастает, если в системе  протекает хотя бы один необратимый  процесс.    

 Записанное  утверждение является ещё одной  формулировкой второго начала  термодинамики.    

 Таким  образом, изолированная термодинамическая  система стремится к максимальному  значению энтропии, при котором  наступает состояние термодинамического  равновесия.    

 Необходимо  отметить, что если система не  является изолированной, то в  ней возможно уменьшение энтропии. Примером такой системы может  служить, например, обычный холодильник,  внутри которого возможно уменьшение  энтропии. Но для таких открытых  систем это локальное понижение  энтропии всегда компенсируется  возрастанием энтропии в окружающей  среде, которое превосходит локальное  ее уменьшение. 
     С законом возрастания энтропии непосредственно связан парадокс, сформулированный в 1852 году Томсоном (лордом Кельвином) и названый им гипотезой тепловой смерти Вселенной. Подробный анализ этой гипотезы был выполнен Клаузиусом, который считал правомерным распространение на всю Вселенную закона возрастания энтропии. Действительно, если рассмотреть Вселенную как адиабатически изолированную термодинамическую систему, то, учитывая ее бесконечный возраст, на основании закона возрастания энтропии можно сделать вывод о достижении ею максимума энтропии, то есть состояния термодинамического равновесия. Но в реально окружающей нас Вселенной этого не наблюдается. 
 Термодинамический парадокс в космологии, сформулированный во второй половине ХIХ века, непрерывно будоражит сс тех пор научное сообщество. Дело в том, что он затронул наиболее глубинные структуры научной картины мира. 
 Хотя многочисленные попытки разрешения этого парадокса приводили всегда лишь к частным успехам, они порождали новые, нетривиальные физические идеи, модели, теории. Термодинамический парадокс выступает неиссякаемым источником новых научных знаний. Вместе с тем, его становление в науке оказалось опутанным множеством предубеждений и совершенно неверных интерпретаций. Необходим новый взгляд на эту, казалось бы, довольно хорошо изученную проблему, которая приобретает нетрадиционный смысл в постнеклассической науке.