Неравновесные системы

Для того, чтобы возникли перечисленные выше упорядоченные агрегатные состояния конденсированного вещества, необходимо, чтобы существовали объекты, температура которых ниже, нежели исходная температура того множества молекул, которое принимает это состояние. Дело в том, что в природе тепловая энергия может передаваться только от объекта большей температуры объекту меньшей температуры. Это обстоятельство является прямым следствием второго начала термодинамики.

Действительно, рассмотрим два тела: 1 – с температурой Т₁, 2 – с температурой Т₂<T₁ (рисунок 3.4). Если первое тело теряет количество тепловой энергии ΔQ₁, то изменение его энтропии отрицательное

Зато энтропия второго тела положительная, так как оно получает тепловую энергию ΔQ₂=ΔQ₁:

Суммарная энтропия этих двух тел возросла:

Ясно, что если бы передача тепловой энергии от первого тела второму не происходила, то изменение энтропии было бы равно нулю. Если бы теплота передавалась от 2 к 1, то изменение энтропии было бы отрицательным. И то, и другое противоречит второму началу термодинамики.

Когда на пути передачи теплоты от более нагретого тела к менее нагретому расположено третье тело, то в нём возможны процессы, связанные с уменьшением энтропии, т.е. процессы упорядочивания. Действительно, пусть часть тепловой энергии ΔQ₁ теряется в этом третьем теле О (рис. 3.5) в виде энергии W₀. Тогда теплота ΔQ₂ становится равной

ΔQ₂ = ΔQ₁ - W₀.

Энтропия движения молекул в теле О может быть отрицательной, если соблюдается условие

(3.4)

Рис. 3.4

Появление отрицательной энтропии при передаче тепловой энергии

Действительно, эта энтропия ΔS₀ складывается из двух

(3.5)

и может быть меньше нуля при сформулированном выше условии (3.4). В формуле (3.5) теплота ΔQ₁ имеет знак плюс, так как поступает в тело О, а ΔQ₂ – минус, так как передается телу 2.

Рис. 3.5.

Термодинамически неравновесная система трёх тел: 1 - источник тепловой энергии; 2 - холодильник; 0 - открытая система.

Как видим, при наличии объектов с разными температурами возможно формирование упорядоченных структур из хаотических, но при одном обязательном условии – часть тепловой энергии обязательно должна быть передана объекту с низкой температурой. Такие процессы и соответствующие им системы именуются неравновесными.

Следует подчеркнуть, что эти процессы естественные и формируют порядок, гармонию в ограниченной области пространства. Причем движущей силой их служит энтропия, т.е. присущая всем природным явлениям тенденция к хаотическому движению.

Главная особенность неравновесной системы – устойчивое существование в условиях непрерывного производства отрицательной энтропии (гармонии). В нашей повседневной жизни мы непрерывно сталкиваемся с такими системами. Это, во-первых, все живые организмы и биосистема в целом. Это, во-вторых, все, что создано творчеством человека, в первую очередь, индустрия. Это, в-третьих, большинство явлений неживой природы на земле.

Обобщенно элементы неравновесной системы именуются [2, 3, 12, 86] следующим образом: 1 - источник тепловой энергии (или просто источник энергии), 2 – акцептор тепловой энергии (или просто холодильник), 0 – открытая система. Ясно, что главным элементом неравновесной систем являются открытая система, так как именно в ней формируется порядок.

Ещё раз отметим, что тепловое, хаотическое движение в открытой системе может преобразоваться в упорядоченное (механическое, гидравлическое, аэродинамическое, электрическое, химическое и т.п.) только под воздействием базисных физических полей.

По сути дела, эти процессы и системы и являются совокупным "творцом" всего того многообразного в своей гармонии мира. Необыкновенно красивые кристаллы, причудливые исполины – горы, фантастическая архитектура пещер, реки, озера, моря, закаты и восходы, айсберги, голубое небо и радуга, полярное сияние, громы и молнии, снег и дожди, звезды и метеориты, вулканы и горячие источники – все это можно перечислять до бесконечности.

---

Дата добавления: 2015-08-27