интересно
Предыдущая | Содержание | Следующая

Законы энергоэнтропийного баланса

За точку отсчета энтропии любой живой и неживой системы можно принимать максимально упорядоченное состояние системы, когда энтропия системы становится равной нулю (Э = Эо = 0).

Основные виды энтропии это - структурная и информационная энтропия. Структурная энтропия служит мерой неупорядоченности строения системы. Так, например, если из строительных деталей собрать дом или из деталей автомобиля собрать автомобиль, то структурная энтропия этих систем уменьшится, ибо упорядоченность их возрастет.

Информационная энтропия - это мера неопределенности информации. Информация эквивалентна отрицательной энтропии, или антиэнтропии.

Так как информационная энтропия является мерой неопределенности в информации

то информационная энтропия обращается в нуль, Когда одна из вероятностей w, равна единице, а все остальные равны нулю, т.е. неопределенность в информации отсутствует. С другой стороны, информационная энтропия (Эинф) принимает максимальное значение, когда все wi, равны l/k, т.е. имеется максимальная неопределенность и, следовательно, содержит минимальное количество информации о процессе.

В качестве примера информационной энтропии рассмотрим газ. Известно, что при охлаждении газа до температуры абсолютного нуля, он сначала переходит в жидкое состояние, а затем в твердое, т.е. происходит переход газа из менее упорядоченного состояния, когда частицы газа "гуляют" и могут находиться в любом месте (информация о месторасположении частиц газа отсутствует), в более упорядоченное состояние, когда частицы газа четко размещаются в определенных местах. Поэтому растет информация о расположении частиц газа, и она достигает максимальной величины при абсолютном нуле, когда все частицы займут вполне определенное положение в твердом теле и информационная энтропия снизится до нулевого значения.

Открытые системы, вследствие того, что взаимодействуют с внешней средой, могут получать извне энергию, вещество, информацию и за счет этого изменять свою структуру, повышать организованность и определенность, иногда вплоть до самоорганизации, и тем самым уменьшить энтропию системы. Однако рост организованности и определенности системы и уменьшение ее энтропии происходит за счет одновременного роста энтропии окружающей среды. Важно заметить, что существование процессов с уменьшением энтропии в открытых системах не противоречит второму закону термодинамики. Ибо все они могут получать извне запасы энергии, вещества, информации, поддерживающее их изменение и развитие. За счет этого развиваются живые и неживые объекты.

При любом изменении состояния и структуры открытой системы и ее развитии изменение ее энтропии ∆Э можно условно представить из двух составляющих ∆Э = ∆Э1 + ∆Э2, где ∆Э1 есть изменение энтропии системы (и, как правило, уменьшение энтропии ∆Э, < 0) за счет обмена этой системы с внешней средой и получения извне дополнительной энергии, вещества, информации. ∆Э, направлено в сторону неравновесности и изменения структуры системы. Напротив, ∆Э2 есть изменение энтропии системы (∆Э2 > 0) в результате процессов, происходящих только внутри самой системы без влияния внешней среды. dЭ2, чтобы повысить организованность системы, всегда самопроизвольно направлено к равновесию. Причем для необратимых процессов всегда ∆Э2 > 0, а для обратимых процессов ∆Э2 = 0. Поскольку в силу второго закона термодинамики для любых систем, включая открытые, справедливо ∆Э2 ≤ 0, то общее уменьшение энтропии открытых систем (∆Э < 0) возможно лишь за счет составляющей ∆Э1 < 0. Только в этом случае увеличивается организованность и снижается неопределенность системы. Так, живой организм может оставаться живым, только постоянно извлекая из окружающей среды энергию, вещество, информацию или отрицательную энтропию. Открытые системы неравновесны и поэтому Э < Эмакс. Ясно, что неравновесные системы более организованны, чем равновесные.

Закрытые, или изолированные, системы, в отличие от открытых, не обмениваются с внешней средой энергией, веществом, информацией, вследствие чего для закрытых систем энтропия не может уменьшаться, а может только увеличиваться ∆Э > 0. Поэтому в закрытых системах происходят необратимые изменения и постепенное разрушение их структуры за счет нарастания в них неопределенности и хаоса, вызываемых возрастанием энтропии.

Открытые системы могут тем больше повысить степень своей организованности, чем они более открыты к среде (если, конечно, окружающая среда неагрессивна и не содержит излишней энтропии, например в виде наркотиков, террористов, болезней) и чем больше получают от среды положительной энергии, вещества, информации.

Необходимо отметить, что для того чтобы в системах началось образование новой структуры, необходимо, чтобы освобождение системы от энтропии превысило некоторое критическое значение, что означает, что уровень внешнего воздействия среды на систему должен превышать какое-то критическое значение.

Таким образом, в материальных макроскопических системах любые изменения всегда сопровождаются теми или иными изменениями энергии и энтропии. В изолированных системах энергия сохраняется, а энтропия растет, что касается открытых систем с подводом извне энергии, то общий баланс энергии тоже сохраняется (с учетом ее поступлений и потерь), энтропия же уменьшается на определенную величину, зависящую от соотношения количеств подводимой и теряемой энергии. Эти особенности энергии и энтропии сделали метод исследований с помощью составления и изучения энергоэнтропийных балансов - энергоэнтропику - довольно универсальным.

Энергоэнтропика, или энергоэнтропийный баланс, имеет свои законы. Рассмотрим вкратце пять таких законов.

W расходуется на изменение состояния

внешних систем, например упорядочение структуры, извлечение информации, перемещение в пространстве и т.д.

Второй закон - возрастания энтропии. Изолированные (закрытые) макроскопические системы стремятся самопроизвольно перейти из менее вероятного состояния в более вероятное или из более упорядоченного состояния в менее упорядоченное состояние (при отсутствии сил, препятствующих этому), и их энтропия может возрастать

реальным изолированным неравновесным, необратимым системам, а знак (=) равенства - только к нереальным (идеальным) обратимым системам.

Известно, что абсолютно изолированные реальные системы на практике не существуют. К изолированным системам условно и приближенно можно относить, например, разлагающийся труп животного, длительно разрушающийся дом, съедаемый коррозией кузов автомобиля и т.п. Поскольку в активной форме "упорядочивающее действие" над ними за счет затрат энергии не совершается, т.е. они не ремонтируются, не восстанавливаются, а труп не оживляется и не сохраняется, то их условно можно отнести к изолированным системам с возрастанием энтропии.

Если система открыта, не изолирована и извне, из агрессивной среды получает энергию ∆Е в какой-либо форме, но при этом происходит не повышение, а понижение упорядоченности, или уровня структуры системы Устр, или уровня информации о системе (I), то энтропия опять будет возрастать, однако не самопроизвольно, как это было в изолированной системе, а вследствие внешнего воздействия агрессивной среды или другой системы. Поэтому нельзя смешивать эти два случая роста энтропии, так как между ними нет ничего общего. Для второго случая роста энтропии с внешней агрессивной средой можно записать:

приводит к деградации энергии, которая последовательно переходит из механической энергии в химическую и далее в тепловую энергию. Поэтому система, способная производить механическую, химическую или электрическую энергию (работу), должна рассматриваться в первую очередь как источник негэнтропии.

Однако могут существовать или специально создаются такие

  Такое состояние впервые сформулировано нашим соотечественником бельгийским ученым И. Пригожиным. Он назвал это принципом минимального возникновения энтропии. Это, по сути, принцип максимально возможного сохранения структуры (упорядоченности) системы в неравновесном состоянии.

Третий закон энтропийных балансов, или энергоэнтропики, называется законом уменьшения энтропии открытых систем при прогрессивном развитии систем.

Энтропия открытых систем в процессе их прогрессивного развития всегда уменьшается за счет потребления от внешних источников энергии, информации и вещества, т.е.

деятельность и снижение энтропии данной открытой системы происходит за счет расхода энергии или информации, или вещества внешней системы (среды) и, следовательно, роста энтропии внешней среды или внешней системы, которая отдала свою энергию или информацию, или вещество данной системе.

Таким образом, третий закон снижения энтропии как бы противоположен второму закону повышения энтропии, но не противоречит ему, так как последний относится к изолированным системам, в которых изменения происходят самопроизвольно, а не к открытым системам, над которыми производится та или иная организующая, упорядочивающая их деятельность.

Четвертый закон энергоэнтропики - закон предельного развития материальных систем.

В самом деле, природные, технические и другие материальные системы при прогрессивном развитии (совершенствовании) достигают характерного для каждой совокупности внешних и внутренних условий предела, который можно выразить максимальным значением соответствующего вида антиэнтропии (-∆Эmax) и негэнтропии (∆НЭмакс). Это значение отсчитывается от некоторого нулевого или же максимального значения коэффициента полезного действия (КПД), или максимального значения какого-то другого критерия эффективности развития или функционирования систем. При этом такой критерий практически всегда можно свести к отношению полезно используемой энергии ко всей затраченной энергии или же достигнутого роста негэнтропии, или антиэнтропии к затраченной энергии (или негэнтропии)

Например, каждой конструкции реактивных поршневых двигателей соответствует свой предел развития, оцениваемый совершенством конструкции через негэнтропию или КПД, или удельную мощность.

Этот закон имеет важное значение для оценки предельных возможностей совершенствования объектов и систем.

Пятый закон энергоэнтропики - конкуренции, или преимущественного развития.

В каждом классе природных, технических, материальных систем преимущественно развиваются те системы, которые при данной совокупности внутренних и внешних условий достигают максимального значения негэнтропии, или максимальной энергетической эффективности (КПД, надежности, производительности, долговечности и т.п.). Чем более совершенна система и менее дорога, тем больше она имеет спрос. Например, тем охотнее выпускается и покупается автомобиль, чем меньше у него расход бензина на 100 км пробега.

Для энергоэнтропики характерны следующие три класса систем: а) саморазвивающиеся; б) несаморазвивающиеся и 3) энтропийные.

К саморазвивающимся системам относятся человеческое общество, солнечная система, галактика, звездно-планетные системы и другие образования, воспроизводящие необходимые для своей целостности условия и развитие которых происходит на основе внутренних противоречий.

К несаморазвивающимся системам относятся те системы, для развития которых необходимы находящиеся в других системах источники энергии и негэнтропии. К ним относятся искусственные системы, например вся техника и отдельные технические объекты.

К энтропийным, или деградационным, системам относятся, например, упавшие старые и гниющие деревья, ржавеющие на свалках объекты, химические элементы, подвергающиеся естественному распаду и т.д., для которых характерна возрастающая энтропия, рассеяние энергии и вещества.

Так как все процессы саморазвития протекают с рассеянием энергии и вещества, то со временем они могут перестать быть саморазвивающимися системами и превратиться в энтропийные системы.

Из сказанного следует, что к изолированным системам условно можно отнести не только системы не взаимодействующие с окружающей средой, но и системы, которые в этой окружающей среде не находят условий, достаточных для саморазвития. Поэтому они изменяются в направлении возрастания энтропии, вплоть до полной деградации и распада. Правда, теоретически можно представить и такие изолированные системы, которые, обладая внутренним источником развития и способностью воспроизводства, испытывают не деградацию, а, наоборот, прогресс и развитие в сторону уменьшения энтропии и роста негэнтропии. Правда, на практике таких систем не встречается. Само понятие развития представляет сложный интегральный процесс, включающий как прогресс, так и регресс.

Энергоэнтропийная основа информации известна давно, еще до возникновения теории информации. Поскольку информацию считают функцией состояния исследуемой системы, то увеличение данных о системе означает уменьшение неопределенности системы. Это говорит о связи информации с вероятностностью состояния системы, а следовательно, и с энтропией.

Если информационная энтропия есть мера недостатка информации, то негэнтропия представляет связанную информацию. Если энтропия есть мера трудности возврата системы в первоначальное состояние, то негэнтропия системы представляет меру трудности познания состояния системы.

Известно, что изменения, происходящие в предмете и явлениях в процессе развития, имеют две тенденции: стремление к усложнению организации и одновременно к упрощению. Тенденция к усложнению равновесна накоплению информации, а тенденция к упрощению означает уменьшение информации и накопление энтропии. С другой стороны, развитие системы - это одновременно и усложнение и упрощение формы организации, но при этом доминирующими являются тенденции усложнения, т.е. накопления информации и снижения энтропии, очевидно, за счет расхода энергии.