В термодинамичен подход към същността на живота

В термодинамичен подход към същността на живота

През 1847 г. Хелмхолц формулира закона за запазване на енергията (ZSE). Трябва да се помни, че ZSE е само емпирично обобщение: Най-общо казано, никой не знае защо не може да се създаде енергия от нищото, нито унищожени - просто няма да се случи във всеки произволно умни, наблюдения и експерименти. Всички помним, че един ден ZSE старателно разклатено - когато се наложи да се обясни защо слънцето грее (. Виж Възраст на земята), обаче, се появи във времето откриването на еквивалентност на маса и енергия на Айнщайн, и всичко ще си дойде на мястото. Ето защо никой от Патентното ведомство не ще разгледа проекта на устройството за повече енергия, отколкото изразходва; такова устройство се нарича вечен двигател от първи вид. Първият човек-машина за преобразуване на топлинна енергия в механична енергия е парен двигател. Това устройство се произвежда работа чрез преместване на енергия под формата на топлина от горещ резервоара (пара) в студения резервоар (с вода). Ето защо, раздела за физика, занимаващи се с взаимни превръщания на труд и енергия, наречени термодинамиката, както и парна машина за дълго време остава негов основен модел. Първият закон на термодинамиката гласи, че "ако резервоарът за пара съдържа определено количество енергия от парната машина не може да получи повече работа, отколкото това, което резерв от енергия." Лесно е да се види, че той е един от съставите, ZSE; това е първият закон на термодинамиката и нарушава "вечен двигател от първи вид." Е, добре: това е невъзможно, защото това е невъзможно. Но това най-малко цялата работа, която се съдържа в един чифт, ние може да се научи? Той е предназначен - ако напълно се елиминира триенето и всички други загуби? Уви - оказва се, не. Дори и в идеалния случай това не е нещо, което спечели - ". Я получи", че не може дори да През 1824 godu Карно установено, че част от топлинната енергия, която може да бъде (в идеалния случай дори!) Сменено работа зависи от температурната разлика между топли и студени танкове. Идеален изход К = (Т2-Т1) / T2, където Т1 и Т2 - температурата на студена и топла резервоарите за съхранение (в абсолютни градуса Келвин скала). Да предположим, например, Т2 би 400o (= 127 ° С) и 300o Т1 (= 27 ° С). В този случай, К = (400-300) / 400 = 0,25. Това е - дори и в този случай идеализирана, само една четвърт от енергията може да се преобразува в работа, а останалите три четвърти - безполезни загубени. Ако имаме само един резервоар (това е горещо, е студено), идеалната изхода, съответно, ще бъде равна на нула. Това е - енергията в този резервоар с парата толкова, колкото е необходимо, но не и от една част от него не може да се превръща в работа. Всичко това е напълно приложима за други форми на енергия: работата, която може да направи камък пада от ръба на скалата, в зависимост от височината на последната (т.е. разликата между потенциалните енергиите на камъка), но камъкът, намиращ се в центъра на платото на височина от 5 км, не работата не може да се ангажира. Това е една от формите, съгласно втория закон на термодинамиката (ВНТ), "нито едно устройство не може да се извлече работа от една система, която е изцяло по същия потенциал ниво." Апарат за извличане на работа от една система като едно ниво на енергия (и по този начин нарушава BHT), наречена вечното движение на втория вид. Представете си колко би било готино - за изпомпване, например, енергията на топлинно движение на съда молекули вода (тенджера, тогава нека, когато тя замръзва - закона за запазване на енергията, ние почитаме!) И го преобразува в механични, електрически или дори някои Putnam форма. Но нищо от това начинание няма да работи - вечен двигател от втори вид не може да бъде точно същата като първата. В същото време, тъй като в системата се появяват само две нива на енергия, енергията веднага започва да тече от по-високото ниво на ниска: топлина преминава от горещо на студено тяло, камъкът пада от скала, ток започва да тече от анода към катода и т.н. (Което е защо има още една формулировка на BHT: "Потокът от енергия винаги е насочено от високото ниво на ниската потенциал"). Ако нашата парен двигател е затворена система (т.е., без значение и енергията не може нито да го проникне отвън, нито да го оставите), горещата резервоара постепенно ще изстине и хладно - подгряването; това е - през цялото време на работа се извършва на разлика резервоарите на температурата система постоянно ще падне. След това, в съответствие със съотношението на Карно, делът на енергията, която се съдържа в една система, която може да се направи, за да работи ще намалее, а делът на "имобилизация" на енергия, която не е на разположение за тази трансформация - необратимо расте. Следователно, ВНТ могат също да бъдат формулирани както следва: "Във всеки спонтанен процес (когато мощност отворен пътя за прелива от по-високо ниво на ниско) количеството енергия налични увеличава с времето." През 1865 г., Р. Клаузиус, в справянето с този много необратимо загубени (разсейва) енергия, въведена специална стойност, той се нарича ентропия (S); отразява топлинна енергия отношение на температура и има измерение кал / ° С. Във всеки процес, свързани с превръщането на енергия се увеличава ентропията или - в идеалния случай (топли и студени резервоари разделят абсолютен изолатор, настоящите потоци чрез свръхпроводника и т.н.) - не се намалява. Ето защо, BHT понякога се нарича Закона за недопускане на намаляване на ентропията. Много кратко формулировка на смесените първа и втора законите на термодинамиката, предложен същия Клаузиус (1865), гласи: Във всеки затворена система общата енергия остава постоянна, и общите ентропията се увеличава с течение на времето. Да предположим, че имаме една и съща двойка на ями - топли и студени; ги свърже, при което тяхната температура (отразява средната кинетичната енергия на молекулите) се изравни. Можете да се опише картината по този начин: ". Системата първоначално е структурирана - разделена на топли и студени части, а след това тази структура се срина, а системата се е преместил от подредено състояние да неподредена, хаотична" Концепцията за "ред" и "хаос" не е толкова лесно да се даде на строго определение, но интуитивно разбираме, че заповедта - това е, когато обектите, посочени в съответствие с определена логическа система и хаос - когато няма система не е открит. Така ние виждаме, че когато енергията (в този случай - на топлината) потоци в посока на BHT, хаос (разстройство) в системата се увеличава. Тъй като по този начин се увеличава ентропията, също има логично предположение: а не е там "хаос" и "ентропия", свързани помежду си, понятия? Така че това е: Болцман стриктно се оказа, че през 1872 г. Klauziusova ентропия (S) е наистина мярка за разстройство в състоянието на системата: S = klnP, където к - Болцман универсална константа (3.29 * 10-24kal / г), както и P - количествен израз разстройство (тя се определя от доста сложен начин, сега не е важно за нас). Това съотношение се нарича принцип на Болцман ред; това предполага, че необратими промени термодинамична система винаги вървят в посока на толкова по-вероятно той заявява, и в крайна сметка да доведе до състояние на хаос - максимално уеднаквяване и симетрия. Както във всяка затворена система, ентропия постоянно и необратимо се повишава с времето в тази система като нашата вселена изчезват всяка структурирана и трябва хаос. По-специално, равномерна температура е установена (което, съответно, ще само малко над абсолютната нула). Тази хипотетична ситуация nazvyvayut "топлина смърт на Вселената"; дискусии по тази тема са много модерни в края на миналия век. Аз трябва да кажа, че законът за недопускане на намаляване на ентропията - с всичките му последици в световен мащаб песимистични - обикновено създава много неудобства за отношението на всеки нормален човек. Не е изненадващо, че е въпрос на регулярна основа - и ако не можете да намерите начин да някак obegorit BHT и победете увеличаване на ентропията? Тези от вас, които са чели "Понеделник започва в събота" може би си спомняте, работещи в демон NIICHAVO Вахтер Максуел; някои от тях дори може да прочетете в "речник приложението" Стругацки обяснение, че тези същества са били първоначално създадени "за коварното нападение на втория закон на термодинамиката." Същността на мисълта експеримент, извършена от J. Максуел (1860) е както следва. Има два съда с газ, свързани с тръба; системата е в термично равновесие, - средната енергия на молекулите всеки две части на газа са равни. Това не означава, че всички молекули със същото: сред тях са по-бързи ( "горещи") и по-бавно ( "студен"), само в големи количества са всички средни стойности. Какво става, ако няколко бързи молекули - е чисто съвпадение! - преминаване от десния контейнер в ляво, и няколко бавно - от ляво на дясно? След това напуснал кораба няколко загрявка, охлади и правото (при условие че общата енергия на системата остава непроменена); в системата има потенциална разлика, която е - ще се увеличи редовност и намаляване на ентропията. В действителност, тези отклонения ще бъдат - по теория на вероятностите - чисто временен. Нека обаче си представим, че контейнерите свързващите тръби седи малък демон, който ще премине по-бързо молекула само от ляво на дясно, и бавно - от дясно на ляво. След известно време, всички бързи молекули се събират в десния контейнер, както и всички бавно - ляво, ляво съдът се затопли, а в дясно - да се охлади; означава ентропия намаляла. Ясно е, че такъв демон не съществува в действителност, но може би в крайна сметка ще бъде в състояние да се създаде един вид устройство, което работи на тези принципи? За съжаление, ние не успеем. (Между другото, Максуел не мислеше да накърнят BHT :. Неговата демон е необходимо просто да се обясни на температурата на скоростта на движение на молекулите - за разлика от тогава идеята за "невидимата течност калории") Въпросът е, че нашите цистерни с газ Това не е цялостна система: цялата система се състои от газ плюс демон. "Улов" на молекулата с подходящите параметри, ни демон ще трябва да се изоре като трактор. Поради това, увеличаване на ентропията собствени демони с интерес надделява над намаляване на ентропията, която ще произвежда в завода на газа. С една дума, ние се занимаваме с класически вечен двигател от втори вид. Но почакайте: ентропията на демона газ, така или иначе, спадна. Но тази идея.

произволен чертеж

Внимание! Информация за сайта
Тя е предназначена единствено за образователни
и научни цели