Реферат Ентропията и нейната роля в изграждането на съвременна картина на света - Банка с резюмета, есета,
по дисциплина Концепцията за съвременното естествознание
Ентропията и нейната роля в изграждането на съвременната картина на света
1 Какво е ентропия
2 Термодинамична ентропия
3 Ентропия на Вселената
4 Ентропия и информация
6 Ентропия и живот. биологичен ред
Списък на използваните източници
1 Какво е ентропия
Сред всички физически величини, навлезли в науката през 19 век, ентропията заема особено място поради своята изключителна съдба. От самото начало ентропията е установена в теорията на топлинните двигатели. Но много скоро рамката на тази теория се оказа твърде тясна за нея и тя навлезе в други области на физиката, преди всичко в теорията на радиацията. Разширяването на ентропията не спря дотук. За разлика например от други термодинамични величини, ентропията доста бързо прекрачи границите на физиката. Той нахлу в съседни области: космология, биология и накрая теория на информацията [6].
Понятието ентропия е многозначно и е невъзможно да му се даде едно точно определение. Най-често срещаният е следният:
Ентропията е мярка за несигурност, мярка за хаос.
В зависимост от областта на знанието има много видове ентропия: термодинамична ентропия, информационна (ентропия на Шанън), културна, ентропия на Гибс, ентропия на Клаузиус и много други.
Ентропията на Болцман е мярка за безпорядък, случайност, хомогенност на молекулярните системи.
Физическото значение на ентропията се изяснява при разглеждането на микросъстоянията на материята. Л. Болцман е първият, който установява връзката между ентропията и вероятността за състояние. Във формулировката на М. Планк твърдението, изразяващо тази връзка и наречено принципът на Болцман, изглежда простоформула
Самият Болцман никога не е написал тази формула. Планк го направи. Той също принадлежи към въвеждането на константата на Болцман kB. Терминът "принцип на Болцман" е въведен от А. Айнщайн. Термодинамичната вероятност за състояние W или статистическата тежест на това състояние е броят на начините (броят на микросъстоянията), по които дадено макросъстояние може да се реализира [6]. Ентропията на Клаузиус е пропорционална на количеството свързана енергия в системата, която не може да бъде преобразувана в работа. Ентропията на Шанън определя количествено надеждността на предавания сигнал и се използва за изчисляване на количеството информация.
Нека разгледаме по-подробно термодинамичната ентропия, ентропията на Шанън (информация), връзката между ентропията и биологичния ред.
2. Термодинамична ентропия
Ентропията като физична величина е въведена за първи път в термодинамиката от Р. Клаузиус през 1865 г. Той дефинира промяната в ентропията на термодинамична система по време на обратим процес като съотношението на промяната в общото количество топлина ΔQ към стойността на абсолютната температура T:
.
Ентропията в термодинамиката е мярка за необратимо разсейване на енергия и е функция на състоянието на термодинамична система [8].
Наличието на ентропия се определя от втория закон на термодинамиката. Тъй като всяка реална система, която преминава през цикъл от операции и се връща в първоначалното си състояние, функционира само чрез увеличаване на ентропията на външната среда, с която тази система е в контакт. Това означава също, че на нито един етап от цикъла сумата от промените в ентропията на системата и околната среда не може да бъде отрицателна. Така вторият закон на термодинамиката позволява следната формулировка:
Сумата от промените в ентропията на системата и околната среда не може да намалява.
Съответно Вселената като цяло не може да се върне в първоначалното си състояние.
Рудолф Клаузиус обобщава първия и втория закон на термодинамиката, както следва:
Енергията на Вселената е постоянна.
Ентропията на Вселената се стреми към максимум.
Поради необратими процеси, ентропията на изолирана система продължава да нараства, докато достигне максималната възможна стойност. Достигнатото състояние в този случай е състоянието на равновесие. [7, стр. 130] От тази формулировка на Втория закон следва, че в края на еволюционния процес Вселената трябва да стигне до състояние на термодинамично равновесие (до състояние на топлинна смърт), което съответства на пълната дезорганизация на системата. Идеята за топлинната смърт на Вселената, която следва от формулировката на втория закон, предложен от Клаузий, е пример за незаконно прехвърляне на законите на термодинамиката в регион, където вече не работи. Законите на термодинамиката са приложими, както е известно, само за термодинамичните системи, докато Вселената не е такава [6].
3. Ентропия на Вселената
Както вече беше споменато, законите на термодинамиката не могат да бъдат приложени към Вселената като цяло, тъй като тя не е термодинамична система, но във Вселената могат да се разграничат подсистеми, към които е приложимо термодинамичното описание. Такива подсистеми са например всички компактни обекти (звезди, планети и др.) или реликтово излъчване (топлинно излъчване с температура 2,73 K). Реликтовото лъчение е възникнало по време на Големия взрив, което е довело до образуването на Вселената, и е имало температура от около 4000 К. В наше време, тоест 10–20 милиарда години след Големия взрив, това първично (реликтово) лъчение, което е живяло през всички тези години в разширяващата се Вселена, се е охладило до посочената температура.Изчисленията показват, че общата ентропия на всички наблюдавани компактни обекти е незначителна в сравнение с ентропията на космическото микровълново фоново лъчение. Причината за това, на първо място, е, че броят на реликтовите фотони е много голям: има приблизително 109 фотона за всеки атом във Вселената [6]. Ентропийното разглеждане на компонентите на Вселената ни позволява да направим още един извод. Според съвременните оценки общата ентропия на тази част от Вселената, която е достъпна за наблюдение, е повече от 1030 пъти по-малка от ентропията на материята в същата част на Вселената, кондензирана в черна дупка. Това показва колко далеч е заобикалящата ни част от Вселената от най-неподреденото състояние.
4 Ентропия и информация
Вече споменатият Рудолф Клаузиус притежава и друга формулировка на Втория закон на термодинамиката: „Невъзможен е процес, чийто единствен резултат би бил преносът на топлина от по-студено тяло към по-горещо“.
Нека проведем умствен експеримент, предложен от Джеймс Максуел през 1867 г.: да предположим, че съд с газ е разделен от непроницаема преграда на две части: дясна и лява. В преградата има дупка с устройство (т.нар. демон на Максуел), което позволява на бързите (горещи) газови молекули да летят само от лявата страна на съда вдясно, а бавните (студени) молекули - само от дясната страна на съда вляво. Тогава, след дълъг период от време, горещите молекули ще бъдат в десния съд, а студените в левия [4].
I(x, y) = log(p(x/y) / p(x)),
където p(x) е вероятността от събитие x преди събитие y (безусловна вероятност); p(x/y) е вероятността за събитие x при настъпване на събитие y (условна вероятност).
Събитията x и y обикновено се разбират като стимул и реакция, влизане и излизане, значението на две различнипроменливи, характеризиращи състоянието на системата, събитие, съобщение за него. Стойността I(x) се нарича самоинформация, съдържаща се в събитието x.
Да разгледаме пример: казват ни (y), че дамата е на шахматната дъска на позиция x = a4. Ако преди съобщението вероятностите дамата да е на всички позиции са били еднакви и равни на p(x) = 1/64, тогава получената информация е равна на
I(x) = log(1/(1/64)) = log(64) = 6 бита. [3, стр.12]
Като единица информация I се приема количеството информация в надеждно съобщение за събитие, чиято априорна вероятност е равна на 1/2. Тази единица се нарича "бит" (от английските двоични цифри). [1]
Да предположим сега, че полученото съобщение не е съвсем точно, например ни казаха, че дамата е или на позиция a3, или на позиция a4. Тогава условната вероятност той да е в позиция x = a4 вече не е равна на единица, а p(x/y) = S. Получената информация ще бъде
I(x, y) = log((1/2) / (1/64)) = 5 бита,
тоест ще намалее с 1 бит в сравнение с предишния случай. По този начин взаимната информация е толкова по-голяма, колкото по-висока е точността на съобщението и в границите се доближава до собствената информация. Ентропията може да се определи като мярка за несигурност или като мярка за разнообразието от възможни състояния на една система. Ако системата може да бъде в едно от m равновероятни състояния, тогава ентропията H е равна на
Например, броят на различните възможни позиции на царицата на празна шахматна дъска е m = 64. Следователно ентропията на възможните състояния е
H = log64 = 8 бита.
Ако част от шахматната дъска е заета от фигури и е недостъпна за царицата, тогава разнообразието от нейни възможни състояния и ентропията намаляват.
Можем да кажем, че ентропията служи като мярка за свободата на системата: колкото повече степени на свобода има системата,колкото по-малко ограничения се налагат върху нея, толкова по-голяма е, като правило, ентропията на системата [3, с.13-15]. В този случай нулевата ентропия съответства на пълната информация (степента на незнание е нула), а максималната ентропия съответства на пълното непознаване на микросъстоянията (степента на невежество е максимална) [6].
Феноменът на намаляване на ентропията поради получаване на информация е отразен от принципа, формулиран през 1953 г. от американския физик Леон Брулиан, който изучава взаимното преобразуване на видовете енергия. Принципът е формулиран по следния начин: "Информацията е отрицателен принос към ентропията." Принципът се нарича принцип на негентропия на информацията [5]. Концепцията за негентропия (същата като отрицателна ентропия или синропия) също е приложима за живи системи, означава ентропията, която живата система изнася, за да намали собственото си ниво на ентропия.
6. Ентропия и живот. Биологичен ред
Въпросът за връзката на живота с втория закон на термодинамиката е въпросът дали животът е остров на съпротивление спрямо втория закон. Наистина, еволюцията на живота на Земята върви от просто към сложно, а вторият закон на термодинамиката предсказва обратния път на еволюцията – от сложно към просто. Това противоречие се обяснява в рамките на термодинамиката на необратимите процеси. Живият организъм като отворена термодинамична система консумира по-малко ентропия, отколкото излъчва в околната среда. Стойността на ентропията в хранителните продукти е по-малка, отколкото в екскреторните продукти. С други думи, живият организъм съществува поради факта, че има способността да изхвърля в околната среда ентропията, произведена в него в резултат на необратими процеси [6].
И така, ярък пример е подредеността на биологичната организация на човешкото тяло. Намаляването на ентропията припоявата на такава биологична организация лесно се компенсира от тривиални физични и химични процеси, по-специално, например, чрез изпаряване на 170 g вода [1].
Списък на използваните източници
1 Blumenfeld L.A. Информация, динамика и дизайн на биологични системи. Режим на достъп: pereplet/education/stsoros/136.html.
2 Речник. Режим на достъп: glossary/cgi-bin/gl_sch2.cgi?RIt(uwsg.o9.
3 Голицин Г. А. Информация. Поведение, език, творчество , М: ЛКИ, 2007.
4 Демонът на Максуел – Уикипедия. Режим на достъп: ru./wiki/Maxwell_Demon.
5 Негентропия - наука. Режим на достъп: ru.science.wikia/wiki/Negentropy.
6 Осипов А. И., Уваров А. В. Ентропията и нейната роля в науката. - Московски държавен университет. М. В. Ломоносов, 2004.
7 Пригожин Съвременна термодинамика, Москва: Мир, 2002.
8 Термодинамична ентропия – Уикипедия. Режим на достъп: ru./wiki/Thermodynamic_entropy.