Упорядоченность. Хаос. Возрастание энтропии

Федеральная таможенная служба

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Российская таможенная академия»

Владивостокский филиал

Реферат на тему «Упорядоченность. Хаос. Возрастание энтропии»

Выполнили студенты

121 группы: Ильин Д.,

Черноземов А.

Проверил:

Пугач П. А.

Владивосток 2010

Содержание

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

2. Упорядоченность…………………………………………………… 4

3. Хаос...................................................................................................... 5

4. Возрастание энтропии……………………………………………… 7

5. Заключение………………………………………………………….. 9

6. Список литературы…………………………………………………10

Введение

Всякие естественные процессы сопровождаются возрастанием энтропии Вселенной; такое утверждение часто называют принципом энтропии. Также энтропия характеризует условия, при которых запасается энергия: если энергия запасается при высокой температуре, ее энтропия относительно низка, а качество, напротив, высоко. С другой стороны, если то же количество энергии запасается при низкой температуре, то энтропия, связанная с этой энергией, велика, а ее качество - низко.

Возрастание энтропии является характерным признаком естественных процессов и соответствует запасанию энергии при все более низких температурах. Аналогично можно сказать, что естественное направление процессов изменения характеризуется понижением качества энергии.

Такое истолкование связи энергии и энтропии, при котором энтропия характеризует условия запасания и хранения энергии, имеет большое практическое значение. Первое начало термодинамики утверждает, что энергия изолированной системы (а возможно, и всей Вселенной) остается постоянной. Поэтому, сжигая ископаемое топливо - уголь, нефть, уран - мы не уменьшаем общих запасов энергии. В этом смысле энергетический кризис вообще невозможен, так как энергия в мире всегда будет оставаться неизменной. Однако, сжигая горсть угля и каплю нефти, мы увеличиваем энтропию мира, поскольку все названные процессы протекают самопроизвольно. Любое действие приводит к понижению качества энергии Вселенной. Поскольку в промышленно развитом обществе процесс использования ресурсов стремительно ускоряется, то энтропия Вселенной неуклонно возрастает. Нужно стремиться направить развитие цивилизации по пути снижения уровня производства энтропии и сохранения качества энергии.

Упорядоченность

Упорядоченность - характеристика структуры, обозначающая степень взаимной согласованности ее элементов. Применительно к социально-когнитивной системе характеристике упорядоченности соответствует высокая степень структурированности знания в контексте конкретно-исторической системы рациональности.

Понятие развития неживой и живой природы рассматривается как необратимое направленное изменение структуры объектов природы, поскольку структура отражает уровень организации материи.

Структура - это внутренняя организация системы, которая способствует связи составляющих систему элементов, определяющая существование ее как целого и ее качественные особенности. Структура определяет упорядоченность элементов объекта. Элементами являются любые явления, процессы, а также любые свойства и отношения, находящиеся в какой-либо взаимной связи и соотношении друг с другом.

Структура есть упорядоченность (композиций) элементов, сохраняющаяся (инвариантная) относительно определенных изменений (преобразований).

Упорядоченность - это относительно устойчивый способ связи элементов, придающий их взаимодействию в рамках внутренне расчлененного объекта целостный характер.

Важнейшее свойство - ее относительная устойчивость, понимаемая как сохранение в изменении. Однако упорядоченность содержит определенную динамичность, отдельные временные моменты, представляет собой процесс развертывания во времени и в пространстве новых свойств элементов.

Упорядоченность - это общий, качественно определенный и относительно устойчивый порядок внутренних отношений между подсистемами той или иной системы. Понятие "уровень организации" в отличие от понятия "структура" включает, кроме того, представление о смене структур и ее последовательности в ходе исторического развития системы с момента ее возникновения. В то время как изменение структуры может быть случайным и не всегда имеет направленный характер, изменение уровня организации происходит необходимым образом. Системы, достигшие соответствующего уровня организации и имеющие определенную структуру, приобретают способность использовать информацию для того, чтобы посредством управления сохранить неизменным (или повышать) свой уровень организации и способствовать постоянству (или уменьшению) своей энтропии.

Хаос

Этимология понятия «хаос».

Хаос, понятие, окончательно оформившееся в древнегреческой философии это трагический образ космического первоединства, начало и конец всего, вечная смерть всего живого и одновременно принцип и источник всякого развития, он неупорядочен, всемогущ и безлик.

Хаос (греч. cháos, от cháino — разверзаюсь, изрыгаю), в древнегреческой мифологии беспредельная изначальная масса, из которой образовалось впоследствии всё существующее. В переносном смысле — беспорядок, неразбериха.

Хаосом интересуются физики, химики, биологи, математики, инженеры и др. Эти исследователи специализируются по системам, проявляющим турбулентность, трудно описываемым и носящим случайный характер, т. е. имеют дело с беспорядком. Однако здесь не обошлось без скептиков. Некоторые математики говорят, что теоретические методы изучения хаоса не являются строгими, основаны на ненадежных моделях и угрожают традиционным способам проверки решений. Тем не менее теория хаоса завоевала последователей и имеет своих защитников в каждом крупном университете или исследовательском центре. Эта теория предлагает подход к изучению систем, которые не поддаются описанию традиционными методами. Для многих ученых теория хаоса является еще одним способом решения очень трудных задач, которое требует свежих идей.

Со времен Ньютона ученые стремятся объяснить поведение сложной системы с помощью линейных (устанавливающих простую прямую зависимость) уравнений, которые устанавливают прямую пропорциональность между величиной, заданной на входе системы, и величиной, получаемой при этом на выходе системы. Если знать все переменные, считают они, и иметь достаточно мощный компьютер, чтобы учесть все неопределенности, то можно смоделировать (т. е. описать в математических терминах) любую систему, сколь бы сложной она ни была. Примером может быть долгосрочный прогноз погоды. Метеорологи были среди тех, кто думал, что новые суперкомпьютеры сделают долгосрочные предсказания погоды окончательно надежными, но так не произошло. Работая над компьютерными моделями погоды, метеоролог из Массачусетского технологического института Эдуард Лоренц показал, что модели хаотических систем четко зависят от начальных условий и мельчайших, но непредсказываемых переменных параметров - иными словами, погода по самой своей сути является хаотической.

В любой хаотической системе - от стремительного течения горной реки до среднегодовой численности саранчи на американском Среднем Западе - незначительное нарушение равновесия может привести к колоссальному изменению. "Очень малое возмущение, происшедшее в какое-то время, может заставить систему развиваться совсем не так, как без такого возмущения", - утверждает Лоренц. Среди ученых принято называть данное явление эффектом бабочки. Это название придумал Лоренц, когда в лекции, прочитанной им в 1970 г., он поставил перед слушателями интригующий вопрос: могло ли легкое порхание крыльев бабочки далеко в амазонских джунглях вызвать разрушительное торнадо в Техасе.

Закон истинности в хаосе:

«Любое хаотические (броуновское) движение приводит к образованию осмысленных пар. Пары стремятся к склеиванию. Или, с течением процесса, в нем появляется осмысленность и порядок. Хаос далеко (мириады и димиады световых лет), но мы знаем его закон. Значит мы оттуда, или были в нем».

В этих словах и заключается смысл важнейшей проблемы –Проблемы Выбора.

Возрастание энтропии

Энтропия (греч. en - в, внутрь, trope - поворот, превращение) - одна из величин, характеризующих тепловое состояние тела или системы тел; мера внутренней неупорядоченности системы; при всех процессах, происходящих в замкнутой системе, энтропия или возрастает (необратимые процессы), или остается постоянной (обратимые процессы).

Центральным понятием термодинамики является энтропия S. Энтропия - это функция состояния, дифференциал от которой равен приведенному теплу dS = dQ/T, где Q - количество тепла, Т - температура. Энтропия долго считалась тенью "царицы-энергии" W, ее загадочным двойником. Их поведение в замкнутой системе различно. Энергия в замкнутой системе не создается и не уничтожается. Она сохраняется и не может служить индикатором на изменения в системе (W = const). Энтропия же постоянно создается во всяком процессе перехода к равновесию. Поведение энтропии определяется вторым началом термодинамики или законом возрастания энтропии.

Рост энтропии не беспределен. Ее значение в равновесии максимально. Второе начало термодинамики - это закон и принцип отбора, ограничивающий физически реализуемые состояния, которые можно наблюдать или "приготовить". Закон запрещает создание "вечного двигателя 2-го рода".

Знаменитое второе начало (закон) термодинамики в формулировке немецкого физика Р. Клаузиуса звучит так: "Теплота не переходит самопроизвольно от холодного тела к более горячему". Закон сохранения и превращения энергии (первое начало термодинамики), в принципе, не запрещает такого перехода, лишь бы количество энергии сохранялось в прежнем объеме.

Но в реальности это никогда не происходит. Данную односторонность, однонаправленность перераспределения энергии в замкнутых системах и подчеркивает второе начало термодинамики. Для отражения этого процесса в термодинамику было введено новое понятие "энтропия". Под энтропией стали понижать меру беспорядка системы. Более точная формулировка второго начала термодинамики приняла такой вид: при самопроизвольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию, энтропия всегда возрастает. Физический смысл возрастания энтропии сводится к тому, что состоящая из некоторого множества частиц изолированная (с постоянной энергией) система стремится перейти в состояние с наименьшей упорядоченностью движения частиц. Это и есть наиболее простое состояние системы, или термодинамическое равновесие, при котором движение частиц хаотично. Максимальная энтропия означает полное термодинамическое равновесие, что эквивалентно хаосу.

Однако, исходя из теории изменений Пригожина, энтропия не просто безостановочное соскальзывание системы к состоянию, лишенному какой бы то ни было организации. При определенных условиях энтропия

становится прародительницей порядка.

*Макроскопическое состояние той или иной термодинамической системы, состоящей из конечного множества элементов (атомов, молекул), традиционно характеризуется с помощью энтропии Больцмана (Е), статистически выражающей второе начало термодинамики и имеющей вид:

где: – постоянная Больцмана, а W – термодинамическая вероятность, представляющая собой число возможных микросостояний системы, посредством которых может быть реализовано данное макросостояние.

Заключение

Закон возрастания энтропии применим лишь к достаточно большому собранию частиц, а для отдельных молекул его просто невозможно сформулировать.

Вопросы связанные с энтропией в сложных системах и закон возрастания энтропии, дают возможность объективно воспринимать протекающие в природе процессы и определять возможности вмешательства в эти процессы.

Закон возрастания энтропии является частью второго начала термодинамики, которым обычно называется полученное опытным путем утверждение о невозможности построения вечного двигателя второго рода.

Список литературы

1. Ф.Ю. Зигель. Неисчерпаемость бесконечности. Москва, "Наука", 1984

2. П.Эткинс. Порядок и беспорядок в природе. Перевод с английского Ю.Г. Рудого. Москва, "Мир", 1987

3. Д.Лейзер. Создавая картину Вселенной. Перевод с английского С.А. Ламзина. Москва, "Мир", 1988

4. Дж. Нарликар. Неистовая Вселенная. Перевод с английского С.В. Будника. Москва, "Мир", 1985