Порядок и беспорядок в природе, энтропия, хаос - Реферат

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Иркутский государственный университетКак расположены в них частицы в порядке или беспорядке? 30-40 лет назад писали, что в природе есть тела, состоящие из частиц, расположенных беспорядочным образом, это газы, жидкости, аморфные твердые тела, и тела, построенные из частиц, расположенных в строгом порядке, уложенных природой в ряды и сетки - это кристаллы. Наряду с телами, для которых слова «порядок» и «беспорядок» являются достаточно точной характеристикой расположения в них частиц, очень часто встречаются такие тела, в которых беспорядок и порядок существуют вместе, неотделимо друг от друга. Изучение элементов беспорядка в упорядоченной молекулярной постройке и, наоборот, исследование элементов порядка в хаосе беспорядочного расположения частиц привело к установлению новых важных закономерностей, связывающих строение вещества с его свойствами, объясняющих ряд явлений изменениями в степени упорядоченности структуры. Эти явления и проблемы соотношения порядка и беспорядка обсуждаются в третьей части моей работы, на основе теоретических взглядов различных ученых данной области. порядок беспорядок хаос энтропияЗакон сохранения и превращения энергии (первое начало термодинамики), в принципе, не запрещает такого перехода, лишь бы количество энергии сохранялось в прежнем объеме. Данную односторонность, однонаправленность перераспределения энергии в замкнутых системах и подчеркивает второе начало термодинамики. 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.Естественное стремление энергии к рассеянию определяет и направление, в котором происходят физические процессы в природе. Под этим понимается рассеяние энергии в пространстве, рассеяние частиц, обладающих энергией, и потеря упорядоченности, свойственное движению этих частиц. Первое начало термодинамики в принципе не отрицает возможности событий, казалось бы противоречащих здравому смыслу и повседневному опыту: например, мяч мог бы начать подскакивать за счет своего охлаждения, пружина могла бы самопроизвольно сжаться, а кусок железа мог бы самопроизвольно стать более горячим, чем окружающее пространство. Проявление любых диспропорций в организационной структуре объекта приводит к образованию асимметрии как по отношению к окружающей среде, так и для самой структуры в частности, это может привести к увеличению потенциальной энергии или, при большом скоплении этой энергии, к распаду системы, как противоречащей законам природы (общества). Если внешний наблюдатель, изучающий термодинамику, не заметил, что в системе произошло изменение, то состояние системы считается неизменным, лишь “педантичный” наблюдатель, тщательно следящий за поведением каждого атома, будет знать, что изменение все-таки произошло.Процессам, нарушающим равновесия в системе, противостоит внутренняя релаксация. Процесс теплопроводности крайне медленный, газ находится в неравновесном состоянии, а где-то в системе будет малая область, находящаяся в локальном равновесии. Ле Шателье писал: «Если в системе, находящейся в равновесии, изменить один из факторов равновесия, например, увеличить давление, то произойдет реакция, сопровождающаяся уменьшением объема, и наоборот. Принцип Ле Шателье-Брауна в современном изложении означает, что система, выведенная внешним воздействием из состояния с минимальным производством энтропии, стимулирует развитие процессов, направленных на ослабление внешнего воздействия. Образование этих структур происходит не изза внешнего воздействия, а за счет внутренней перестройки системы, поэтому это явление получило название самоорганизации.Если на молекулы не действуют силы из вне, если между молекулами практически не действуют силы сцепления, то возникает идеальный беспорядок в их расположении. Чтобы избавиться от сил сцепления между молекулами, тело надо нагреть, расплавить и испарить. Однако в тонком по вертикале слое газа влияние силы тяжести не скажется. Молекулы такого слоя газа расположены в совершенном беспорядке. Постараемся ответить на вопрос: почему беспорядочное расположение молекул с равномерной плотностью возникает тогда, когда молекулы перемещаются случайным образом?Итак, если молекулы «предоставлены самим себе», если на молекулы не действуют мешающие их тепловому движению силы, то наиболее вероятным является беспорядочное распределение молекул. Следует ли отсюда, что существует «стремление» к беспорядку? Можно представить себе сосуд с водой, поставленный на массивную электрическую плиту, раскаленную до 300°С, и далее такое явление: плита раскаляется до 400°С, а вода в сосуде замерзает.

Содержание

Введение

1. Этимология понятия «хаос». Хаос как основа порядка

2. Роль энтропии как меры хаоса

3. Естественные процессы

4. Теория порядка и хаоса

5. Вероятность и беспорядок

6. Стремление к беспорядку

7. Борьба порядка и беспорядка

Заключение

Список литературы

Целью данной работы является рассмотрение вопросов порядка и беспорядка, их соотношения в природе. Актуальность этой работы, я думаю, бесспорна, так как и порядок, и беспорядок окружают нас в нашей повседневной жизни везде. Окружающие нас тела состоят из атомов и молекул. Как расположены в них частицы в порядке или беспорядке?

30-40 лет назад писали, что в природе есть тела, состоящие из частиц, расположенных беспорядочным образом, это газы, жидкости, аморфные твердые тела, и тела, построенные из частиц, расположенных в строгом порядке, уложенных природой в ряды и сетки - это кристаллы. Верно ли категорическое разделение окружающих нас тел? Развитие науки показало, что такое суждение неправильно. Наряду с телами, для которых слова «порядок» и «беспорядок» являются достаточно точной характеристикой расположения в них частиц, очень часто встречаются такие тела, в которых беспорядок и порядок существуют вместе, неотделимо друг от друга.

Понятия порядка и беспорядка в природе часто используются для описания состояния термодинамической системы. Этот вопрос рассматривается в первой части данной работы, где дается характеристика беспорядочного движения в природе, вводится понятие энтропии. Здесь же описывается один из самых важных термодинамических законов - закон возрастания энтропии. Изучение элементов беспорядка в упорядоченной молекулярной постройке и, наоборот, исследование элементов порядка в хаосе беспорядочного расположения частиц привело к установлению новых важных закономерностей, связывающих строение вещества с его свойствами, объясняющих ряд явлений изменениями в степени упорядоченности структуры. Это легло в основу второй части работы, в которой от замкнутых систем мы переходим к рассмотрению систем открытых, которые обмениваются с окружающей средой веществом или энергией. Такое же большое значение имеет изучение явлений, связанных с переходами от порядка к беспорядку и обратно; подобные переходы лежат в основе важнейших технологических процессов. Эти явления и проблемы соотношения порядка и беспорядка обсуждаются в третьей части моей работы, на основе теоретических взглядов различных ученых данной области. порядок беспорядок хаос энтропия

1. Этимология понятия «хаос». Хаос как основа порядка

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. Рассмотрим кинетическую энергию совокупности частиц. Если вдруг окажется, что все частицы движутся в одном и том же направлении с одинаковыми скоростями, то вся система, подобно теннисному мячу, будет находится в состоянии полета. Система ведет себя в этом случае аналогично одной массивной частице, и к ней применимы обычные законы динамики, такое движение называется движением центра масс. Существует, однако, и другой вид движения. Можно представить себе, что частицы системы движутся неупорядоченно, а хаотически: полная энергия системы может быть той же самой, что и в первом случае, но теперь отсутствует результирующее движение, поскольку направления и скорости движения атомов беспорядочны. Если бы мы могли проследить за какой-либо отдельной частицей, то увидели бы, что она проходит небольшое расстояние вправо, затем, соударяясь с соседней частицей, смещается немного влево, снова соударяется и т. д. Основная черта этого вида движения состоит в отсутствии корреляции между движениями различных частиц; иными словами, их движения некогерентны (неупорядочены). Описанное случайное, хаотическое, некоррелированное, некогерентное, неупорядоченное движение называется тепловым движением. Очевидно, понятие теплового движения неприменимо к отдельной частице, поскольку бессмысленно говорить о некоррелированном движении одной частицы. Иными словами, когда мы переходим от рассмотрения движения отдельной частицы к системам многих частиц и при этом возникает вопрос о наличии корреляций в их движениях, мы по существу переходим от обычной динамики в новую область физики, которая называется термодинамикой.

Итак, существует два вида движения частиц в сложных системах: движение может быть когерентным (упорядоченным), когда все частицы движутся согласованно (“в ногу”), или, напротив, неупорядоченным, когда все частицы движутся хаотически.