Заметим, что рассматривая эту систему
из двух тел, подразумевалось, что внешнего теплопритока или теплооттока из нее
нет – то есть считали ее изолированной. Отсюда еще одна формулировка второго
закона термодинамики: энтропия изолированной системы стремится к
максимуму – так как самопроизвольные процессы передачи тепла всегда
будут происходить, пока есть перепады температур.
А что будет, если эта же система из
двух тел будет неизолирована, и, допустим, в нее поступает тепло? Ее энтропия
будет увеличиваться еще больше, так как при получении телом тепла энтропия
его увеличивается (S=Q/T).
Но для простоты формулировки этот
момент обычно не упоминают и поэтому формулируют второй закон термодинамики
именно для изолированных систем. Хотя, как видно, он действует точно также и
для открытых систем в случае поступления в них тепла.
Эволюционисты же уперлись в
общепринятую формулировку второго закона термодинамики для изолированных
систем, утверждая, что если система открыта, то второй закон термодинамики не
действует! А истина проста: для открытой системы с подведением тепла
энтропия растет даже быстрее, чем для изолированной!
Вселенная
эволюционирует к хаосу?
В 1865 году Клаузиус впервые ввел
понятие энтропии. 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, то есть в среднем равномерно распределится между
всеми элементами системы, что и будет означать термодинамическое равновесие и
хаос. Если Вселенная замкнута, то ее ждет именно такая незавидная участь. Из
хаоса, как утверждали 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
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 живой и неживой 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.
Для сложных систем всегда существует
несколько возможных путей эволюции.
Развитие осуществляется через
случайный выбор одной из нескольких разрешенных возможностей дальнейшей
эволюции. Следовательно, случайность – не досадное недоразумение; она встроена
в механизм эволюции. А нынешний путь эволюции системы, возможно, не лучше, чем
те, которые были отвергнуты случайным выбором.
Старение – уступка энтропии?
Изредка встречаются люди, к которым
неприменимы обычные законы и правила – они могут обходиться без сна, не
заражаются опасными инфекциями во время самых страшных эпидемий. Однако нет
человека, который неподвластен старению. Все живое стареет, разрушается и
погибает. И даже неживая природа: здания, камни, мосты и дороги – тоже
постепенно ветшают и приходят в негодность. Очевидно, что старение – это некий
обязательный процесс, общий для живой и неживой природы.
Немецкий физик Р. Клаузис в 1865 году
впервые пролил свет на глубинные причины этого явления. Он постулировал, что в
природе все процессы протекают асимметрично, однонаправленно. Разрушение
происходит само собой, а созидание требует затраты энергии. За счет этого в
мире постоянно происходит нарастание энтропии – обесценивание энергии и
увеличение хаоса. Этот фундаментальный закон естествознания называется также
вторым началом термодинамики. Согласно ему, для созидания и существования любой
структуры необходим приток энергии извне, поскольку сама по себе энергия имеет
тенденцию рассеиваться в пространстве (этот процесс более вероятен, чем
создание упорядоченных структур). Живые организмы относятся к открытым термодинамическим
системам: растения поглощают солнечную энергию и преобразуют ее в органические
и неорганические соединения, животные разлагают эти соединения и таким образом
обеспечивают себя энергией. При этом живые существа находятся в
термодинамическом равновесии с окружающей средой, постепенно отдают или
рассеивают энергию, поставляя энтропию в мировое пространство.
Оказалось, однако, что существование
живых организмов не полностью исчерпывается вторым началом термодинамики.
Закономерности их развития объясняет третий закон термодинамики, обоснованный
выдающимся бельгийским ученым И. Пригожиным, выходцем из России: избыток
свободной энергии, поглощенный открытой системой, может приводить к самоусложнению
системы. Существует определенный уровень сложности, находясь ниже которого
система не может воспроизводить себе подобных.
Живые организмы в каком-то смысле
противостоят нарастанию энтропии и хаоса во Вселенной, образуя все более
сложные структуры и накапливая информацию. Этот процесс противоположен процессу
старения. Такая борьба с энтропией возможна, по-видимому, благодаря
существованию неустаревающей генетической программы, которая многократно
переписывается и передается следующим поколениям. Живой организм можно сравнить
с книгой, которая постоянно переиздается. Бумага, на которой написана книга,
может износиться и истлеть, но содержание ее вечно.
Утверждение того, что все живое
подвержено старению не совсем точно: есть ситуации, к которым это правило
неприменимо. Например, что происходит, когда живая клетка или бактерия в
процессе размножения делится пополам? Она дает начало двум другим клеткам,
которые в свою очередь снова делятся, и так до бесконечности. Клетка, давшая
начало всем остальным, не успела состариться, фактически она осталась
бессмертной. Вопрос о старении у одноклеточных организмов и непрерывно
делящихся организмов, например половых или опухолевых, остается открытым. А.
Вейсман в конце XIX века создал теорию, которая
постулировала бессмертие бактерий и отсутствие у них старения. Многие ученые
согласны с ней и сегодня, другие же подвергают ее сомнеию. Доказательств
хватает у тех и других.
А как обстоит дело с многоклеточными
организмами? Ведь у них большая часть клеток не может постоянно делиться, они
должны выполнять какие-то другие задачи – обеспечивать движение, питание,
регуляцию внутренних процессов. Это противоречие между необходимостью
специализации клеток и сохранением их бессмертия природа разрешила путем
разделения клеток на два типа. Соматические клетки поддерживают жизненные
процессы в организме, а половые клетки делятся, обеспечивая продолжение рода.
Соматические клетки стареют и умирают, половые же практически вечны.
Существование огромных и сложных многоклеточных организмов, содержащих
триллионы соматических клеток, в сущности направлено к тому, чтобы обеспечить
бессмертие половых клеток.
Как же происходит старение у
соматических клеток? Американский исследователь Л. Хейфлик установил, что
существуют механизмы, ограничивающие число делений: в среднем каждая
соматическая клетка способна не более чем на 50 делений, а затем стареет и
погибает. Постепенное старение целого организма обусловлено тем, что все его
соматические клетки исчерпали отпущенное на их долю число делений. После этого
клетки стареют, разрушаются и погибают.
Если соматические клетки нарушают
этот закон, они делятся непрерывно, многократно воспроизводя свои новые копии.
Ни к чему хорошему это не приводит – ведь именно так появляется в организме
опухоль. Клетки становятся “бессмертными”, но это мнимое бессмертие в конечном
счете покупается ценой гибели всего организма.
Действие
второго начала термодинамики
Как уже говорилось выше, второе
начало термодинамики имеет несколько формулировок. Одна из них: вечный двигатель
второго рода построить нельзя. Вечный двигатель второго рода – тепловая машина,
которая все тепло, получаемое от сжигания топлива переводит в
работу, то есть такая машина, у которой коэффициент полезного действия (КПД)
равен 100%. Оказывается машину с КПД равным 100% нельзя построить в принципе.
Все машины – машины реальные. Французский механик Сади Карно ввел понятие их идеала
(идеальной тепловой машины). Идеальной машины на практике не существует, как и
в общественной жизни: полностью идеальных людей не бывает, но к идеалу надо
стремиться. Идеальную машину так же нельзя построить с КПД 100%. Существует и
вечный двигатель первого рода, под которым понимается тепловая машина, которая
совершает работу без затрат энергии. И такую машину построить нельзя, хотя
такие попытки совершаются.
Оказывается в физике узаконено, что
часть тепла тепловая машина обязательно должна терять! А сколько
машине следует терять? Столько, сколько теряет идеальная тепловая машина, но
такая машина, как указывалось выше, в природе не существует, но к ней можно
сколько угодно близко приблизиться.
Формулировка второго начала с
привлечением энтропии: самопроизвольно процессы в природе протекают в
направлении возрастания энтропии. Если ввести цену тепла, то процессы в
природе самопроизвольно протекают в направлении обесценивания тепла.
Второе начало действует и в биологических процессах, и в общественной жизни
людей.
В этом столетии предполагается полет
на Марс. Длительный будет полет. Некоторые фантазируют о том, что будет
разработана такая пища, которая полностью будет усваиваться человеческим
организмом, то есть в космическом аппарате туалет не потребуется. Но это не
так! Без туалета никак нельзя, как того требует второе начало. Существуют
микроскопические образования – вирусы. Они также ходят по нужде!
Если рассматривать общественную жизнь
людей, то второе начало является основой инфляции. Явление
инфляции закономерное явление. Имеется по крайней мере две социальные системы:
социалистическая и капиталистическая. При социализме вы приходите в магазин и
покупаете товар, например, булки хлеба. Платите 20 коп. за булку. Приходите
через месяц – платите 20 коп. за булку, приходите через год – платите 20 коп….
В этом случае:
(Стоимость n булок) / (n булок) = Цена1
(Стоимость n булок) / (n булок) = Цена2
при этом, Цена1 = Цена2.
Знак равенства ставится только для
идеальной системы. Такие системы в природе не существуют. Таким образом,
социалистическая система – идеальная система. Сама собой она существовать не
может, необходимы усилия для ее поддержания.
При капитализме вы приходите покупать
те же булки хлеба. В первый месяц цена булки – 3 руб., через месяц цена булки –
4 руб., через два месяца – 5 руб….
(Стоимость n булок) / (n булок) = Цена1
(Стоимость n булок) / (n булок) = Цена2
при этом, Цена1 < Цена2.
Здесь знак неравенства. Это есть
реальная система, процесс совершается самопроизвольно, без насилия.
Поскольку этот закон объективный, то
им следует умело пользоваться!
В Японии работал корреспондентом
Цветов, который периодически по телевидению сообщал из Японии об организации их
производства, экономике, политике… беседовал он и с руководством фирмы «SHARP», в которой каждый сотрудник должен
вносить рационализаторские предложения с целью повышения эффективности работы
фирмы. Некоторые такие предложения приносили эффект, а другие нет. Но всем шла
дополнительная плата. Естественно, те, у которых предложение проходило,
получали хорошее вознаграждение, а те, у которых оно не внедрялось, также
получали вознаграждение, хотя и символическое. Цветов поинтересовался у
руководства, почему они в этом случае выбрасывают деньги на ветер. Но
руководство на это ответило, что высококачественную сталь нельзя получить без
шлака.
Заключение
Особое место занимает вопрос о
философском статусе второго начала термодинамики.
Постулат Клаузиуса и концепция
тепловой смерти вызвали большое количество возражений. Критическое отношение
многих ведущих физиков того времени к закону сохранения энергии, дискуссия
вокруг второго начала термодинамики вытекали из самого существа этих
фундаментальных открытий, затрагивающих глубокие вопросы мировоззрения. Эпоху
установления начал термодинамики сравнивали – и не без основания – с эпохой
Галилея. Наука и тогда, и в эту эпоху вплотную подходила к вопросам, издавна
считавшимися прерогативой религии: начало и конец мироздания, сотворение и
уничтожение материи и движения. Закон сохранения энергии укреплял позиции
материалистов и подрывал устои религиозного мировоззрения. С другой стороны, концепция
тепловой смерти казалась благоприятной для церковного учения о «конце мира», о
«последних временах», предшествующих вторичному приходу Христа. Все это
способствовало возникновению острой философской дискуссии вокруг новых открытий
в физике.
В сознании широкой публики второе
начало термодинамики окружено странным магическим ореолом. Фландерс и Сванн
написали о нем песню. Ч. П. Сноу читал о нем лекции.
Второе начало является ключевым
элементом в великолепном здании науки о теплоте.
Физические законы – это
фундаментальные законы природы, особенно те, основу которых составляют
случайные события. К ним следует относиться серьезно.
Список литературы
1. Поршаков Б.П., Романов Б.А. Основы
термодинамики и теплотехники.- М.: Недра, 1988.
2. Теплоэнергетика и теплотехника. Общие
вопросы (справочник).- М.: Энергия, 1980.
3. Кириллин В.А. и др. Техническая
термодинамика: Учебник для вузов.- 4-е изд., перераб.- М.: Энергоатомиздат,
1983.
4. Виленчик М.М. Биологические
основы старения и долголетия.- М., "Знание", 1987.
5. Гладышев Г.П. Термодинамика
старения.- "Известия Академии наук. Серия биологическая" №5, 1998.
6. Федосеев П.Н. Философия и
научное познание.- М., 1983.
Страницы: 1, 2
|