Самоорганизация материи - Реферат

Чтобы решить проблему тепловой смерти Вселенной, следует рассмотреть следующие вопросы: 1) истинно ли то, что в процессах, протекающих в природе, энергия теряется качественно, и что процессы, в которых происходит превращение всех форм движения в теплоту, преобладают над процессами, в которых происходит превращение теплоты в другие формы движения? 2) следует ли из второго закона термодинамики заключение о том, что энергия теряется (может теряться) качественно и что процессы, в которых происходит превращение всех форм движения в теплоту, преобладают над обратными процессами? Если допустить, что какая-то форма движения во Вселенной вдруг утратила частично способность к превращению в другие формы, то это означает, что во Вселенной процессы превращения различных форм движения в эту форму преобладают над обратными, что во Вселенной началось постепенное преобразование первоначально бесконечно многообразного движения в одну эту форму, что многообразие движения материи теряется, - происходит деградация движения материи. Конечно, формулировка "всякая форма движения способна и вынуждена превращаться во всякую другую форму движения" относится не ко всем формам движения, а к тем, с которыми имеет дело физика, т.е. к тем, которые Р.Майер называл "силами", "силами неживой природы"2 . Эти формы лучше называть абстрактными формами движения, чтобы отличать, с одной стороны, от высших, конкретных форм движения, примером которых является жизнь, а с другой - от физической величины, которая остается постоянной в ходе взаимных превращений абстрактных форм движения и называется энергией. Таким образом, Энгельс различал закон сохранения энергии (движения) и закон превращения энергии (движения), а также высказывал (в 1885 г.) мнение то, что мысль о сохранении энергии служит основой более содержательного исследования самого процесса превращения.В заключении подведем некоторые выводы: Логическими основаниями гипотезы тепловой смерти Вселенной являются: - ложное положение о невозможности полного превращения теплоты в другие формы движения; ложное положение о невозможности превращения теплоты в другие формы движения при постоянной температуре и необходимости разности температур для такого превращения; ложное положение о "второсортности" теплоты как вида энергии, ее меньшей, по сравнению с другими формами движения, способности к превращению в другие формы движения (виды энергии);

Мир движется к хаосу. Уровень энтропии (неопределенности) в нашей вселенной повышается с каждым мгновением. Вселенная движется к тепловой смерти. Бумаги, наваленные на столе, мусор на городских свалках, объедки продуктов питания, высохшие цветы в вазе, процесс коррозии и разрушения горных пород, смерть живых существ, процесс забывания - вот безрадостные примеры разрушения и деградации.

Но, несмотря на печальную картину, этому процессу противостоят другие процессы самоорганизации.

Узоры на замерзшем стекле представляют собой, несомненно, упорядоченную структуру рядом с хаотично движущимся горячим и влажным воздухом. Кубические кристаллики соли на дне высохшей емкости, узоры снежинок, кирпичи в стенах и процесс смены дня и ночи - все это структуры.

Один любитель футбола без особых усилий найдет себе партнеров для игры. (Чем это не организация?) Если на улицу выйдет один гитарист, то около него будут останавливаться слушатели. Люди будут кидать музыканту пятаки.

Экономист скажет, что гитарист обнаружил общественную потребность и удовлетворил ее. Но гитарист ничего не искал. Не составлял бизнес планов, не убеждал банкиров и инвесторов расстаться с миллионом. А люди вокруг него структурировались и отдали часть своих ресурсов (денег). Не фокус ли это, не чудо ли? А может быть это закон самоорганизации материи? Ничего не искали миллиарды свободных художников и изобретателей, которые делали, а не рассуждали о том, стоит ли делать. Они работали и между делом создавали шедевры.

Появление теории самоорганизации в современном естествознании инициировано, видимо, подготовкой глобального эволюционного синтеза всех естественнонаучных дисциплин. Эту тенденцию в немалой степени сдерживало такое обстоятельство, как разительная асимметрия процессов деградации и развития в живой и неживой природе. В классической науке XIX в. господствовало убеждение, что материи изначально присуща тенденция к разрушению всякой упорядоченности, стремление к исходному равновесию (в энергетическом смысле это и означало неупорядоченность или хаос). Такой взгляд на вещи сформировался под воздействием равновесной термодинамики.

Эта наука занимается изучением процессов взаимопревращения различных видов энергии. Ею установлено, что взаимное превращение тепла и работы неравнозначно. Работа может полностью превратиться в тепло трением или другими способами, а вот тепло полностью превратить в работу принципиально невозможно. Это означает, что во взаимопереходах одних видов энергии в другие существует выделенная самой природой направленность. 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.

Общий вывод достаточно печален: необратимая направленность процессов преобразования энергии в изолированных системах рано или поздно приведет к превращению всех ее видов в тепловую энергию, которая рассеется, т.е. в среднем равномерно распределится между всеми элементами системы, что и будет означать термодинамическое равновесие или хаос. Если Вселенная замкнута, то ее ждет именно такая незавидная участь. Из хаоса, как утверждали древние греки, она родилась, в хаос же, по предположению классической термодинамики, и возвратится.

Возникает, правда, любопытный вопрос: если Вселенная эволюционирует только к хаосу, то, как она могла возникнуть и сорганизоваться до нынешнего упорядоченного состояния. Но этим вопросом классическая термодинамика не задавалась, ибо формировалась в эпоху, когда нестационарный характер Вселенной не обсуждался. В это время единственным немым укором термодинамике служила дарвиновская теория эволюции. Ведь предполагаемый ею процесс развития растительного и животного мира характеризовался его непрерывным усложнением, нарастанием высоты организации и порядка. Живая природа почему-то стремилась прочь от термодинамического равновесия и хаоса. Налицо была явная нестыковка законов развития неживой и живой природы.

После замены модели стационарной Вселенной на развивающуюся в которой ясно просматривалось нарастающее усложнение организации материальных объектов - от элементарных и субэлементарных частиц в первые мгновения после Большого взрыва до звездных и галактических систем, - несоответствие законов стало еще более явным. Ведь если принцип возрастания энтропии столь универсален, как же могли возникнуть такие сложные структуры? Случайным "возмущением" в целом равновесной Вселенной их не объяснить. Стало ясно, что для сохранения непротиворечивости общей картины мира необходимо постулировать наличие у материи в целом не только разрушительной, но и созидательной тенденции.

Материя способна осуществлять работу и против термодинамического равновесия, самоорганизовываться и самоусложняться.

1. Фридрих Энгельс о гипотезе тепловой смерти Вселенной

В письме Марксу от 21 марта 1869 года Фридрих Энгельс писал: "Превращение сил природы, особенно превращение теплоты в механическую силу и т.д., послужило в Германии поводом для нелепейшей теории, которая, впрочем, до известной степени неизбежно вытекает из старой Лапласовской гипотезы, но теперь доказывается, так сказать, математически, что мир становится все холоднее, что температура в пределах Вселенной все более выравнивается, и что в конце концов наступит момент, когда всякая жизнь станет невозможной, и весь мир будет состоять из замерзших, вращающихся один вокруг другого шаров. Я жду теперь, что попы ухватятся за эту теорию как за последнее слово материализма. Ничего глупее нельзя придумать. Так как, согласно этой теории, в существующем мире количество теплоты, которое должно превратиться в другие виды энергии, все более превышает количество других видов энергии, которые могут превратиться в теплоту, то естественно, что первоначальное горячее состояние, с которого начинается охлаждение, становится абсолютно необъяснимым и даже бессмысленным и предполагает поэтому существование бога. Первый толчок Ньютона превращается в первое нагревание. И все же теория эта считается тончайшим и высшим завершением материализма. А господа эти скорее сконструируют себе мир, который начинается нелепостью и нелепостью кончается, чем согласятся видеть в этих нелепых выводах доказательство того, что их так называемый закон природы известен им до сих пор лишь наполовину".

В письме можно выделить две части. Сначала Энгельс сообщает о "нелепейшей теории", излагает выводы из нее (то, что "доказывается, так сказать, математически") и дает оценку, по-видимому, и теории, и выводам: "Ничего глупее нельзя придумать".

Вторая часть письма содержит следующее рассуждение: так как согласно упомянутой теории "в существующем мире количество теплоты... все более превышает количество других видов энергии", то, утверждает Энгельс, "естественно", что первоначальное состояние "становится абсолютно необъяснимым" и предполагает существование бога, первого толчка. Из этих "нелепых выводов" Энгельс заключает, что некий "так называемый закон природы" известен естествоиспытателям лишь наполовину.

Хотя этот закон и не назван, из контекста следует, что это - либо утверждение "в существующем мире количество теплоты... все более превышает количество других видов энергии", либо утверждение, которое называли законом природы, из которого логически следует предыдущее утверждение. Несомненно также, что, по мнению Энгельса, появление нелепых выводов обусловлено ошибочностью "так называемого закона природы". Следовательно, для опровержения вывода о тепловой смерти Вселенной необходимо опровергнуть те ложные положения, из которых этот вывод следует - положение о преобладании во Вселенной перехода всех видов энергии в тепловую над обратными процессами либо так называемый закон природы, логическим следствием которого является это положение.

В тех опровержениях гипотезы тепловой смерти Вселенной, о которых сообщают учебники и энциклопедии, вопрос о протекании во Вселенной превращения всех видов энергии в тепловую не обсуждается; второе начало термодинамики - физический закон, "на основе абсолютизации"2 которого формулируется гипотеза тепловой смерти Вселенной, сомнению не подвергается. Таким образом, подходы к проблеме тепловой смерти Вселенной, представленные в учебниках, противоречат мнению Энгельса, высказанному им в письме Марксу. Не исключено, что вследствие этого философам прошлого века не удалось найти решение проблемы тепловой смерти Вселенной. Любопытно, что ссылки на данное письмо в литературе встречаются крайне редко, хотя на русском языке оно впервые было опубликовано в 1931 г. - в 24 т. первого издания сочинений Маркса и Энгельса.

В 1875 году Энгельс написал следующую заметку: "В каком бы виде ни выступало перед нами второе положение Клаузиуса и т.д., во всяком случае, согласно ему, энергия теряется, если не количественно, то качественно. Энтропия не может уничтожаться естественным путем, но зато может создаваться. Мировые часы сначала должны затем они идут, пока не придут в состояние равновесия, и только чудо может вывести их из этого состояния и снова пустить в ход. Потраченная на завод часов энергия исчезла, по крайней мере, в качественном отношении, и может быть восстановлена только путем толчка извне. Значит, толчок извне был необходим также и вначале; значит, количество имеющегося во Вселенной движения, или энергии, не всегда одинаково; значит, энергия должна была быть сотворена; значит, она сотворима; значит, она уничтожима. Ad absurdum!"1. Допуская, что энергия теряется качественно, Энгельс заключает, что в будущем энергия исчезнет в качественном отношении, что мир придет в равновесие, что когда-то был первый толчок, что энергия сотворима и уничтожима. Из этих абсурдных выводов следует ложность принятого допущения.

Чтобы решить проблему тепловой смерти Вселенной, следует рассмотреть следующие вопросы: 1) истинно ли то, что в процессах, протекающих в природе, энергия теряется качественно, и что процессы, в которых происходит превращение всех форм движения в теплоту, преобладают над процессами, в которых происходит превращение теплоты в другие формы движения?

2) следует ли из второго закона термодинамики заключение о том, что энергия теряется (может теряться) качественно и что процессы, в которых происходит превращение всех форм движения в теплоту, преобладают над обратными процессами?

3) следует ли из второго закона термодинамики заключение о том, что Вселенная стремится к равновесию?

2. Энгельс о превращении форм движения

В работе "Людвиг Фейербах и конец классической немецкой философии" Энгельс назвал открытие превращения энергии одним из трех великих открытий, благодаря которым "познание взаимной связи процессов, совершающихся в природе, двинулось гигантскими шагами вперед". Это открытие показало, что "все бесчисленные действующие в природе причины, которые до сих пор вели какое-то таинственное, не поддававшееся объяснению существование в виде так называемых сил - механическая сила, теплота, излучение (свет и лучистая теплота), электричество, магнетизм, химическая сила соединения и разложения,- являются особыми формами, способами существования одной и той же энергии, т. е. движения".

В "Диалектике природы" Энгельса есть фрагмент "О классификации суждений", содержащий чрезвычайно важные для термодинамики идеи относительно превращений форм движения (энергии). В этом фрагменте в качестве примера, подтверждающего рациональное содержание гегелевской диалектики, анализируется развитие познания человеком закономерностей превращения форм движения.

Вначале Энгельс приводит гегелевскую классификацию суждений: суждение наличного бытия, суждение рефлексии, суждение необходимости и суждение понятия. "1-я группа - это единичное суждение, 2-я и 3-я - особенное суждение, 4-я - всеобщее суждение". Далее Энгельс показывает, "какое глубокое основание эта группировка имеет не только в законах мышления, но также и в законах природы", для чего рассматривает развитие закона превращения движения от формулировки "трение есть источник теплоты" до формулировки "всякое механическое движение способно посредством трения превращаться в теплоту" и, наконец - "любая форма движения способна, и вынуждена при определенных для каждого случая условиях превращаться, прямо или косвенно, в любую другую форму движения".

Согласно Энгельсу, закон превращения формы движения, является абсолютным не только по форме (к его формулировке ничего прибавить), но и, что следует отметить особо, по содержанию. Кроме прочего, это означает, что его действие не может ограничиваться никаким иным законом. Та же мысль была выражена Энгельсом несколько раньше в другой форме: "закон о смене форм движения является бесконечным, замыкающимся в себе"1 .

Также, по Энгельсу, закон превращения форм движения является суждением понятия, суждением всеобщности. Это означает, что способность к превращению в иные формы является атрибутом любой формы движения, внутренне присуща любой форме движения и не может быть уничтожена без уничтожения самой формы движения, что в отношении превращаемости в иные формы все формы движения совершенно "равноправны". Абсолютно невозможной, согласно Энгельсу, является ситуация, в которой какая-нибудь форма движения полностью утратила бы способность превращаться в качественно иные формы движения, перестала бы превращаться в иные формы движения.

Поскольку неограниченная превращаемость из одной формы в другую - атрибут движения, то "движение, которое потеряло способность превращаться в свойственные ему различные формы, хотя и обладает еще dynamis (возможностью), но не обладает уже energeia (действительностью).

Соответственно, слова "движение обладает dynamis, но не обладает energeia" означают: движение является движением только в возможности, но не в действительности.

Для сравнения "Железная дорога, по которой не ездят, которая не используется, не потребляется, есть железная дорога только ??????? (в возможности (по Аристотелю)), а не в действительности".

То, что Энгельс написал в формулировке закона превращения форм движения и в комментариях, - это не философское обобщение достижений естествознания, а всего лишь адекватное выражение сути полученных естествознанием результатов. Именно благодаря открытию неограниченной взаимной превращаемости "различные физические силы"- эти, так сказать, неизменные "виды" физики - превратились в различным образом дифференцированные и переходящие по определенным законам друг в друга формы движения материи". Суждение "механическая сила, теплота, излучение... являются особыми формами, способами существования одной и той же энергии, т. е. движения" получено не путем отыскания видимых общих признаков у всех этих "предметов мышления", а благодаря открытию превращений одних форм в другие. "Когда рассматриваются эти многообразные формы явлений под одно общее название движения, то дело тут отнюдь не в том только, что наш рассудок объединяет их вместе. Напротив, эти формы сами доказывают своим действием, что они являются формами одного и того же движения, ибо при известных обстоятельствах они переходят друг в друга". А что они действительно переходят друг в друга, доказывается тем, что эти переходы происходят "без какой бы то ни было потери силы" "таким образом, что определенному количеству движения одной формы всегда соответствует точно определенное количество движения другой формы". Например, можно привести одну аналогию. Жидкая, кристаллизационная, адсорбционная вода, а также лед и пар есть виды, формы существования одной и той же субстанции - воды, H2O. Такое заключение было сделано не на основе сравнения их видимых признаков, а на том основании, что при известных условиях они превращаются друг в друга, причем количеству воды, исчезнувшей в одной форме, соответствует появление такого же количества другой формы воды.

Способность к превращению в иные формы, в частности, в пар, есть атрибут любой формы воды. Если после контакта с натрием вода не появляется в виде пара при нагревании продуктов реакции, то не потому, что она потеряла способность превращаться в пар, а потому, что произошла химическая реакция, и вода была уничтожена как таковая, исчезла в качестве воды. Вода уничтожима в качественном смысле в химических превращениях. Движение отличается от воды, кроме прочего, и тем, что, являясь атрибутом материи, не может стать недвижением, превратившись в нечто такое, которое не превращается в иные формы движения. Движение, потерявшее способность превращаться в иные формы (движение, не превращающееся в иные формы) в свете идей Энгельса - такая же нелепость, как четырехугольный треугольник.

Поскольку способность к превращениям в другие формы в равной мере присуща всем формам движения, то в бесконечной Вселенной одновременно протекают процессы противоположно направленные, а в целом движение материи остается неизменным как качественно, так и количественно.

Если допустить, что какая-то форма движения во Вселенной вдруг утратила частично способность к превращению в другие формы, то это означает, что во Вселенной процессы превращения различных форм движения в эту форму преобладают над обратными, что во Вселенной началось постепенное преобразование первоначально бесконечно многообразного движения в одну эту форму, что многообразие движения материи теряется, - происходит деградация движения материи. Пределом такой деградации является смерть материи. Необходимо отметить, что "движение в применении к материи - это изменение вообще"1, в том числе жизнь, социальные процессы. Конечно, формулировка "всякая форма движения способна и вынуждена превращаться во всякую другую форму движения" относится не ко всем формам движения, а к тем, с которыми имеет дело физика, т.е. к тем, которые Р.Майер называл "силами", "силами неживой природы"2 . Эти формы лучше называть абстрактными формами движения, чтобы отличать, с одной стороны, от высших, конкретных форм движения, примером которых является жизнь, а с другой - от физической величины, которая остается постоянной в ходе взаимных превращений абстрактных форм движения и называется энергией.

Только абстрактные формы движения превращаются друг в друга. Конкретные формы движения являются атрибутами соответствующих форм материи (материальных систем) и развиваются в ходе развития материальных систем в соответствии с законами развития.

По вышесказанному, Энгельса высказывал и такие мысли.

"Сохранение энергии. Количественное постоянство движения было высказано уже Декартом и почти в тех же выражениях, что и теперь...

Зато превращение формы движения открыто только в 1842 г., и это, а не закон количественного постоянства, есть новое"1.

"Если еще десять лет назад новооткрытый основной закон движения принимался лишь как закон сохранения энергии, лишь как выражение того, что движение не может быть создано, то есть понимался только с количественной стороны, то это узкое, отрицательное выражение все более вытесняется положительным выражением в виде закона превращения энергии, где впервые вступает в свои права качественное содержание процесса и стирается последнее воспоминание о внемировом творце. Теперь уже не нужно проповедовать как нечто новое, что количество движения (так называемой энергии) не изменяется, когда оно из кинетической энергии (так называемой механической силы) превращается в электричество, теплоту, потенциальную энергию положения и т. д., и обратно; мысль эта служит добытой раз навсегда основой гораздо более содержательного отныне исследования самого процесса превращения, того великого основного процесса, в познании которого находит свое обобщение все познание природы".

Таким образом, Энгельс различал закон сохранения энергии (движения) и закон превращения энергии (движения), а также высказывал (в 1885 г.) мнение то, что мысль о сохранении энергии служит основой более содержательного исследования самого процесса превращения. Поэтому можно ожидать, что за более чем сто лет после 1885 г. в исследовании этих процессов превращения достигнут заметный прогресс.

Теперь можно попробовать решить вопрос, теряется ли энергия качественно в природных процессах и следует ли вывод о качественной потере энергии из второго закона термодинамики.

3. Второй закон термодинамики - "закон деградации энергии"

Имеется множество работ, авторы которых без тени сомнения говорят о качественной потере энергии и о связи этого утверждения со вторым законом термодинамики.

Л. Больцман (1886 г.): "Энергия может принимать три формы - форму видимого движения тел, теплоты, т.е. движения мельчайших частиц, наконец, работы, т.е. взаимного отдаления притягивающих друг друга тел или сближения тел оттталкивающихся... Теплоту, видимую живую силу и работу можно было бы по желанию получать друг из друга и переводить из одной формы в другую, причем количество всегда было бы сохранено.

Наряду с этим общим принципом механическая теория тепла поставила второй, малоутешительным образом ограничивающий первый, - так называемый второй закон механической теории тепла. Это положение формулируется следующим образом: работа и видимая живая сила могут безусловно переходить одна в другую и без всяких ограничений превращаться в теплоту; наоборот, обратное превращение теплоты в работу или видимую живую силу или совсем невозможно, или возможно только отчасти... Энергия в форме тепла часто обозначается как рассеянная или деградированная энергия. Таким образом, второй закон констатирует непрерывный рост деградации энергии, пока, наконец не прекратятся все видимые движения во Вселенной"1 .

О. Д. Хвольсон (1923 г.): "Тепловая энергия есть энергия движения неправильного, беспорядочного; это движение представляет крайнюю противоположность движению данного тела (системы молекул), как целого, при котором скорости всех частиц тесно связаны между собою…

Тепловое движение частиц есть движение наиболее вероятное. Всякое нетепловое движение материи должно иметь стремление к переходу в движение тепловое. Такой переход вызывается малейшими причинами, расстраивающими нетепловое, т. е. более или менее упорядоченное движение. Иначе: Нетепловая энергия движения материи имеет стремление перейти в энергию тепловую. Такой переход мы наблюдаем при всяком ударе, при трении и т. д. Энергия тепловая лишь при исключительных условиях, так сказать, искусственно, может быть преобразована в нетепловую энергию движения материи"2.

Н.В. Кашин (1925 г.): "Условием возможности всякого преобразования энергии является качественное ухудшение (деградация) части энергии, которое понимаем, как понижение способности этой части энергии к дальнейшим превращениям"3.

Б.М. Гессен (1928 г.): "…В фундаменте современного естествознания лежит не только закон сохранения энергии, но и закон рассеяния энергии"4.

И.А. Каблуков (1934 г.): "Все виды энергии могут совершенно свободно и сполна превращаться в тепловую, последняя же только в известных случаях может целиком переходить в химическую, при переходе же ее в механическую или электрическую энергию часть ее остается в виде тепла, падая только с более высокой температуры на более низкую. Вследствие этого происходит непрерывное увеличение теплового движения за счет других форм энергии и постепенный переход теплоты от тел высокой температуры к телам более низкой температуры"1 .

К.А. Путилов (1939 г.): "В качестве первого и второго начал термодинамики приняты два главенствующих закона физики, смыкающие физику с общими вопросами философии - закон сохранения энергии и закон деградации энергии"2.

П. Лаберенн (1953 г.): "…Теплота должна рассматриваться как низшая или деградированная форма энергии; она не может целиком превращаться в механическую работу"3.

Г.Н. Алексеев (1966 г.): "Таким образом, качество энергии характеризуется степенью упорядоченности и степенью концентрации ее. Чем более упорядочена и чем более концентрирована энергия, тем, естественно, выше возможность ее применения, ибо перейти от упорядоченности к беспорядку и от высокой концентрации к низкой ничего не стоит, обратный же переход может быть осуществлен только при затрате энергии.

Однако все виды энергии постепенно деградируют - их упорядоченность и особенно концентрация уменьшается и постепенно сходит на нет.

Деградация всех видов энергии происходит одним, единственным путем - превращением их в тепловую хаотическую и рассеяния последней (т.е. уменьшением концентрации до концентрации тепла в окружающей среде на Земле - воде океанов, морей и в атмосфере"4.

Д.П. Гохштейн (1963 г.): "Энергия бывает разной ценности. Два количества энергии могут быть равны между собой по количеству калорий, но разными по пригодности к преобразованию в другие виды"5.

"Деградация энергии сопровождает любой реальный процесс"6

"Позволяя нам использовать тепло для получения работы, природа как бы налагает на нас "налог" в виде отдачи обесцененной энергии окружающей среде... Между ростом количества обесцененной энергии и энтропией системы имеется четко установленная прямая связь. Если выбрать изолированную от других систему, то легко представить, что протекание необратимых (т.е. реальных) процессов в ней будет вызывать рост ее энтропии, который прекратится тогда, когда исчезнет всякая возможность использования энергии и последняя станет полностью обесцененной, т.е. непревратимой в другие виды. При этом энтропия достигнет своего максимума, а систему постигнет "тепловая смерть". "Химическая, механическая и электрическая энергия могут целиком переходить в другие виды энергии (в том числе и в тепло); тепло же не в состоянии полностью перейти в другие виды энергии. А тепло, попавшее в окружающую среду, не может даже частично перейти в другие виды энергии". "Невозможность полного перехода тепла в другие виды энергии и составляет ту специфичность тепла, которая ему присуща".

П. Шамбадаль (1967 г.) "Работа может быть преобразована в тепло без остатка.., тогда как обратное превращение может быть только частичным.

…Работа представляет собой как бы более "благородную форму энергии, чем тепло".

И. Пригожин, И. Стенгерс (1984 г.): "Тепло и механическая энергия эквивалентны с точки зрения сохранения энергии.., но отнюдь не второго начала… Коротко говоря, механическая энергия более "высокого сорта" (более когерентна), чем тепло и всегда может быть превращена в тепло. Обратное неверно".

Эти и другие высказывания такого рода можно резюмировать следующим образом.

1. Закон превращения форм движения не является абсолютным: условия и направление превращений энергии устанавливаются вторым законом термодинамики.

2. Формы движения (виды энергии) различаются по своей способности к превращению в другие формы, причем тепловая энергия - это энергия низшего (второго) сорта, малоэффективная, неполноценная, деградированная форма энергии; она не способна полностью превращаться в другие формы энергии.

3. Деградация (рассеяние, диссипация) энергии происходит во всех реальных (природных) процессах и означает превращение части энергии в тепловую.

4. В некоторых условиях энергия полностью теряет способность к дальнейшим превращениям. "Энергия может быть и неработоспособной", "покоющейся", а теплота - "совершенно неработоспособной" .

5. Ограничения на превращение тепла в иные формы энергии накладывает второй закон термодинамики .

6. Вывод о качественной потере, т.е. деградации, рассеянии, диссипации энергии не просто следует из второго закона термодинамики, для многих авторов второй закон термодинамики - это закон деградации (рассеяния, рассеивания, диссипации) энергии.

Таким образом, можно утверждать, что в термодинамике, этой науке "о закономерностях превращения энергии"1, на протяжении полутора веков господствуют воззрения, противоречащие идеям Энгельса о превращении форм движения, господствуют воззрения, на основе которых Энгельс делал заключение о грядущей тепловой смерти Вселенной.

На основе этих представлений существует утверждение, что во Вселенной происходит увеличение доли тепла за счет других видов энергии, что со временем вся энергия превратится в тепловую, а Вселенную постигнет тепловая смерть2 .

Для анализа процессов преобразования энергии в энергетических установках применяются величины эксергии (максимальной полезной работы, работоспособности) и анергии3.

"Всякий энергетический ресурс окажется состоящим из двух слагаемых: первое, названное эксергией, даст предельную работу, какую можно произвести в идеальном случае, второе определит оставшуюся принципиально не превращенной в работу часть энергетического ресурса. Для этого второго слагаемого предложен термин анергия"4.

Соответственно, подвергая сомнению положение о деградации энергии и "второсортности" теплоты как формы движения, нельзя не обойтись без критического рассмотрения "мер рассеяния" энергии и критериев ее "работоспособности".

4. Физики против "деградации" энергии

Положение о рассеянии (обесценении) энергии на протяжении многих лет критиковалось Максом Планком, который был не только одним из основателей квантовой физики, но и внес заметный вклад в развитие классической термодинамики.

В одной из статей Макс Планк писал: "Но что я категорически отрицаю и против чего я всегда боролся, это положение, сформулированное г-ном Хевисайдом по поводу универсального рассеяния энергии. Если верно, что энергия идеального газа зависит только от температуры, но не от объема, тогда энергия смеси газов по окончании процесса их взаимной диффузии должна остаться в точности такой, какой она была до начала диффузии. Где же здесь рассеяние энергии? Этот пример, во всяком случае, требует пояснения.

Я прекрасно понимаю, что в целях сохранения положения о рассеянии энергии можно ввести понятие "доступной" или "свободной" энергии, как это было сделано лордом Рэлеем и Гельмгольцем. Но действительно ли закон "потери доступности энергии" является универсально верным законом? Ни в коем случае, ибо он справедлив только для изотермических процессов (т.е. процессов, протекающих при постоянной температуре). Когда изменяется температура, свободная энергия может увеличиваться в такой же мере, как и уменьшаться, при условии, разумеется, что мы придерживаемся одного и того же определения свободной энергии, а не вводим для каждого специального рода процессов новое определение, как это иногда фактически делалось".

Многими исследователями утверждается, что в природе процесс превращения всех видов энергии в теплоту преобладает над обратным, то К.А. Путилов писал: "…Как известно, процесс превращения тепла в работу и в природе, и в технике происходит весьма часто. Было бы ошибочным считать, что он имеет меньшую распространенность, чем процесс превращения работы в тепло. Напротив, превращение тепла в работу в природе встречается столь же часто, как и переход работы в теплоту. На поверхности земного шара ветры, дожди, реки, водопады производят непрестанно работу за счет теплоты, которую доставляет Солнце.

Поэтому нельзя рассматривать процессы перехода работы в теплоту, как правило, а процессы превращения тепла в работу как исключение. Выражаясь фигурально, природа имеет одинаковую склонность, как к тем, так и к другим процессам".

В монографии "Термодинамическая пара"2 А. И. Вейник писал: "Парадокс тепловой смерти мира, или деградации Вселенной, заключается в том, что, по Клаузиусу3, в природе возможны процессы только одного направления - с выделением теплоты трения, возрастанием энтропии, установлением равновесия. В результате все элаты (элементарные формы движения (виды энергии)) рано или поздно превратятся в термическую и в ней найдут свою смерть, т.е. наступит всеобщее равновесие, абсолютный покой. Но, согласно общей теории, в природе не менее распространены процессы прямо противоположного направления - с уничтожением теплоты трения, т.е. с нарушением равновесия. Поэтому тепловой смерти мира быть не может". Разумеется, трудно поверить в то, что "фактически человек сталкивается с поглощением теплоты диссипации (законом экранирования) на каждом шагу", однако при рассмотрении вопроса о судьбах Вселенной нужно принимать во внимание не только повседневный опыт.

В последнее время опубликованы ряд работ, где не только отрицаются ограничения на преобразования энергии, вытекающие из второго закона термодинамики, но и делаются намного более сильные выводы, а именно о возможности преобразования в электрическую и механическую энергию теплоты, рассеянной в окружающей среде, т. е. о возможности создания устройств (машин), в которых осуществляется процесс, обратный "рассеянию" энергии, процесс, названный П. К. Ощепковым6 процессом концентрации энергии, соответственно, о возможности создания так называемых вечных двигателей второго рода. Эти работы имели отрицательный отзыв со стороны специалистов в области энергетики. Таким образом, выступая против деградации энергии, исследователь должен рассмотреть и споры о возможности создания вечных двигателей второго рода, коль скоро в них затрагивается вопрос о существовании ограничений на превращение теплоты в другие формы движения.

По вопросам деградации (рассеяния) энергии, "второсортности" теплоты как формы энергии, возможности обращения процесса рассеяния энергии имеются ряд противоречий. Чтобы их разрешить, необходимо обратиться к анализу фактов, начиная с публикаций о вечных двигателях второго рода.

С тех пор, как был сформулирован второй закон термодинамики, физики и инженеры много сил и времени уделили изучению преобразований и преобразователей теплоты. Можно предположить, что все факты, касающиеся превращений теплоты в технических устройствах стали известны. Специалисты в области энергетики утверждают, что теплота (тепловая энергия) есть энергия второго сорта, что она не может полностью превращаться в другие формы энергии, то вряд ли такой вывод можно опровергнуть на основании каких-то новых фактов, полученных в каких-то экзотических устройствах, вроде вечных двигателей второго рода.

По их мнению, "неполноценность" тепловой энергии, невозможность ее полного превращения в другие виды энергии есть существенное свойство теплоты.

Тогда можно сказать, что суждения "теплота есть деградированная энергия", "теплота неспособна полностью превращаться в другие формы энергии", есть суждения понятия. Такие суждения нельзя опровергнуть, просто сославшись на какие-то факты. Их можно опровергнуть только одним способом, показав, что сомнительные, положения о закономерностях преобразования теплоты в другие формы движения из известных фактов не следуют, ч

В заключении подведем некоторые выводы: Логическими основаниями гипотезы тепловой смерти Вселенной являются: - ложное положение о невозможности полного превращения теплоты в другие формы движения;

- ложное положение о невозможности превращения теплоты в другие формы движения при постоянной температуре и необходимости разности температур для такого превращения;

- ложное положение о деградации (потере способности к дальнейшим превращениям) энергии в природных процессах;

- ложное положение о "второсортности" теплоты как вида энергии, ее меньшей, по сравнению с другими формами движения, способности к превращению в другие формы движения (виды энергии);

- ложное положение о неизбежном переходе всякой изолированной системы в равновесие;

- не имеющий исключений "закон" возрастания энтропии, который не позволяет сделать никакого заключения о естественных процессах, кроме того, что во всех этих процессах энтропия возрастает;

- гипотетическое положение о необратимости процессов преобразования форм движения, протекающих в природе.

Также хочется сказать, что Мир, в котором мы живем, состоит из разномасштабных открытых систем, развитие которых протекает по единому алгоритму. В основе этого алгоритма заложена присущая материи способность к самоорганизации, проявляющаяся в критических точках системы. Самая крупная из известных человеку систем - это развивающаяся Вселенная.

естествознание термодинамика энтропия энергия

1. Игнатович, В.И. Введение в диалектико-материалистическое естествознание: Монография. - Киев, "ЭКМО", 2007 - 468 с.

2. Самоогранизация в науке: опыт философского осмысления, -М: Арго. ИФ РАН, 1994 .

3. Концепция самоорганизации: становление нового образа научного мышления. - М.: Наука, 1994.

Размещено на .ru