Федеральное агентство образования
ПГПУ им. Белинского
Физико-математический факультет
Кафедра общей физики
Курсовая работа
«Термодинамика необратимых процессов и проблем экологии»
Подготовила: студентка гр. М-42
Отпущенникова Людмила
Проверила: доцент Ляпина Т.В.
Пенза 2007
Содержание
Введение
1. Основные понятия
2. Первое начало термодинамики
3. Энтропия и вероятность
4. Энтропия и приведенная теплота
5. Второе начало термодинамики
6. Обратимые и необратимые процессы
7. О тепловой смерти мира
8. Термодинамическая шкала температур. Третье начало термодинамики. Недостижимость абсолютного нуля
9. Необходимые и достаточные условия существования систем
10. Энтропия Земли
11. Энтропия и критерий технического прогресса
Библиография
Введение
Термодинамика изучает закономерности теплового движения вравновесных системах и при переходе систем в равновесие (классическая илиравновесная, термодинамическая), а так же обобщает эти закономерности нанеравновесные системы равновесная термодинамическая или термодинамиканеобратимых процессов.
Термодинамика необратимых процессов является сравнительномолодым и интенсивно развивающимся разделом термодинамической физики. Онавозникла в результате обобщения классической термодинамики на область малыхотклонений системы от равновесия и в дальнейшем была распространена напостроение теории процессов в сильно неравновесных системах.
Прежде чем перейти к изложению основных законов и методовтермодинамики и изучения свойств различных систем, раскроем содержание главныхтермодинамических понятий.
1. Основные понятия
Макроскопическая система — всякий материальный объект, всякоетело, состоящее из большого числа частиц.
Равновесное состояние системы — это такое состояние, когда всистеме не только все параметры постоянны во времени, и нет никакихстационарных потоков за счет действия каких-либо внешних источников.
Изолированная или замкнутая система — система, которая необменивается с окружающими телами ни энергией, ни веществом.
Открытая система — система, которая обменивается сокружающими телами энергией и веществом.
Закрытая система — система, не обменивающаяся с другими теламивеществом, но обменивающаяся энергией.
Энергия системы — энергия непрерывно движущихся ивзаимодействующих частиц.
Полная энергия системы разделяется на внешнюю и внутреннюю.
Часть энергии, состоящая из энергии движения системы какцелого и потенциальной энергии системы в поле внешних сил, называется внешнейэнергией. Остальная часть энергии системы называется внутренней энергией.
Количество теплоты — энергия, переданная системе безизменения её внешних параметров.
Процесс называется равновесным или квазистатическим, есливсе параметры системы изменяются физически бесконечно медленно, так что системавсе время находится в равновесных состояниях.
Время релаксации — промежуток времени, в течении которогосистема возвращается в состояние равновесия.
Если изменение какого-либо параметра aпроисходит за время t, меньшее или равное временирелаксации τ (t≤τ), так что />, то такой процессназывается неравновесным или нестатическим.
Процесс перехода системы из состояния 1 в 2 называетсяобратимым, если возвращение этой системы в исходное состояние из 2 в 1 можноосуществить без каких бы то ни было изменений в окружающих внешних телах.
Процесс же перехода системы из состояния 1 в 2 называетсянеобратимым, если обратный переход системы из 2 в 1 нельзя осуществить безизменений в окружающих телах.
2. Первое начало термодинамики
Термодинамика — дедуктивная наука. Её основные успехи могутбыть охарактеризованы тем, что она позволяет получить множество различныхсоотношений межу величинами, определяющими состояние тел, опираясь на весьмаобщие электрические законы — начала-термодинамики.
Обсудим содержание этих основных законов и соответствующимим основных уравнений термодинамики.
Одной из аксиом термодинамики является первое началотермодинамики,утверждающее следующее: внутренняя энергия термодинамической системы являетсяфункцией состояния, изменяющейся только при взаимодействии с окружением. Изменениевнутренней энергии связано с работой и количеством теплоты уравнением первогоначала термодинамики:
δQ =dE + δА. (1)
Выражение (1) посуществу является законом сохраненияэнергии, описывающим взаимодействие макросистемы с окружением.
Первое начало термодинамики, устанавливая связь между dE, δА и δQ, темсамым позволяет свести измерение dEк измерению макроскопических величин, таких как работа иликоличество теплоты.
С другой стороны, первое начало термодинамики позволяетсделать определенный вывод о той механической работе, которую можно получить втом или ином процессе, что представляет большой практический интерес. Историческиустановление первого начала термодинамики (закона сохранения энергии) былосвязано как раз с неудачами при попытках сконструировать машину, котораясовершала бы работу, не затрачивая при этом никакой энергии и не получаятеплоты извне. В термодинамике такую неосуществимую машину называют вечнымдвигателем первого рода.
Для периодически действующей машины dE = 0; поэтому для периодического производства ею работы всилу закона сохранения энергии необходимо или подводить количество теплотыδQ или использоватьработу δА других источников энергии. Невозможно построить вечныйдвигатель, который производил бы большую работу, чем количество поглощаемой имизвне энергии. Последнее утверждение можно рассматривать как одну изформулировок первого начала термодинамики. В дальнейшем для обозначенияэлементарного изменения внутренней энергии dE, элементарнойработы δА и количества теплоты δQ будем использовать только один символ: d.
3. Энтропия и вероятность
Понять энтропию — это знать ее происхождение, знать связь еес другими понятиями, уметь применять энтропию на практике.
Чем больше связей знают читатели между энтропией и другимипонятиями, тем лучше они усваивают, что такое энтропия.
В приборе Гей-Люссака в одном шаре находится газ (при малойего плотности). Другой шар эвакуирован. Открывают кран на трубке, соединяющейоба шара. Результат опыта известен: газ равномерно заполняет оба шара. Температуравсего газа та же, что и до расширения. При самопроизвольном изотермическомрасширении газа увеличивается его энтропия (процесс адиабатический, и энтропияисточников теплоты не изменяется). Самопроизвольное сжатие газа в прибореГей-Люссака до прежнего объема исключено: энтропия уменьшилась бы.
Газ состоит из молекул (некоторые газы состоят из атомов). Вгазе малой плотности одна молекула воздействует на другую только в короткиемоменты столкновений между молекулами. Большую же часть времени молекуласвободно двигается по объему, предоставленному всему газу.
Предположим, что физик может отличить одну молекулу отдругих. Физика спрашивают, в каком шаре находится выбранная молекула,подчеркнутая красным, как говорил Эйнштейн. (Объемы шаров, чтобы упроститьрассуждения, равны) Физик ответит: до наблюдения не знаю. Он сошлется на то,что на выбранную молекулу (как и на все остальные) ничего не воздействует. Выбраннаямолекула (как и все остальные) никак не предпочитает один шар другому. Объемышаров равны. Поэтому и физик не может предпочесть один шар другому. Натехническом языке, вероятность нахождения выбранной молекулы в любом из шаровравна половине. Сумма вероятностей равна единице (половина плюс половина),равна достоверности. В каком-нибудь из двух шаров выбранная молекулаобязательно находится.
Физику дальше ставят как будто совсем неразрешимый вопрос: вкаком из шаров находятся все молекулы газа? На вопрос, где находится однавыбранная молекула, физик не мог ответить. Где же ему ответить на второй вопрос?!Ведь при О °С и 1 атм в 1 см3 газа находится 2,7x1019молекул. [Для сопоставления: пять миллиардов лет (возраст Земли) — 1,6х1017секунд.] Физик, однако, с полной уверенностью ответит: ни в одном из шаров несодержатся все молекулы газа. Молекулы газа равномерно распределены между обоимишарами. Во всяком случае, отклонение от равномерного распределения призначительном объеме шаров, значит, и при большом числе молекул крайне мало, иэтим отклонением можно спокойно пренебречь.
Откуда такая уверенность? Из подсчета вероятностей. Именнопотому, что для каждой молекулы вероятность находиться в том или другом шареравна половине, все молекулы не могут находиться в одном только шаре. Вероятностьтакого случая тем меньше, чем больше число молекул. При том числе молекул, скаким обычно имеют дело в термодинамике, вероятность скопления всех молекул водном только шаре чрезвычайно мала. Выдающийся французский математик Э. Борель(1871-1956) писал: «Я пришел к выводу, что не следует бояться применитьслово достоверность для обозначения вероятности, которая отличается от единицына достаточно малую величину». Статистический закон для большого числамолекул пробил себе дорогу через случайности для отдельной молекулы.
Приведенный пример свидетельствует, что существует связьмежду возрастанием энтропии в опыте Гей-Люссака и вероятностью распределениягаза между обоими шарами. Обобщая, можно сказать: при самопроизвольном процессесистема переходит из менее вероятного состояния в более вероятное.4. Энтропия и приведенная теплота
Первое начало термодинамики позволяет определить, возможенли с энергетической точки зрения тот или иной процесс в замкнутой системе. Нооно ничего не говорит о возможных направлениях процессов (в частностисамопроизвольных). Так, например, первый закон не запрещает самопроизвольногоперехода теплоты от холодного тела к горячему, либо концентрирования газа вмалой части сосуда и снижения давления в остальной части сосуда. Но, как известно,в природе такие процессы не наблюдаются.
Для суждения о возможном направлении процессов втермодинамике вводится еще одна функция состояния — энтропия.
Так как энтропия является функцией состояния макросистемы,то внутренняя энергия может рассматриваться как функция энтропии и, впростейшем случае, одного внешнего параметра, например V.
Тогда
/> (2)
При равновесных процессах />.С другой стороны, первое начало термодинамики утверждает, что
/> (3)
Сравнивая выражения (2) и (3), нетрудно установитьтождественность этих соотношений при условии выполнения равенств:
/> (4)
/> (5)
Из равенства (4) видно, что для обратимых процессов
/> (6)
Так как dS являетсяполным дифференциалом, то и величина /> такжеесть полный дифференциал, т.е. множитель /> являетсядля количества теплоты dQ нормирующим.Величина /> называется приведеннойтеплотой, ее значение можно определить экспериментально, что имеетбольшое практическое значение.
Зная элементарное изменение энтропии dS,можно без труда найти и конечное изменение этой величины для любогообратимого процесса. Именно:/> />
/> (7)
(рис. 1)
Если обратимый процесс характеризуется замкнутым циклом, тоочевидно изменение энтропии и контурный интеграл от приведенной теплоты в этомслучае равны нулю (рис.1):
/> (8)
Для адиабатного обратимого процесса приведенная теплотаравна нулю, а энтропия остается постоянной. Однако если процесс протекаетнеобратимо, то энтропия, как было выяснено ранее, возрастает, т.е. дляадиабатного необратимого процесса /> (9).
Изменение энтропии при необратимых адиабатных процессахнаводит на мысль использовать эту величину для характеристики необратимостилюбых процессов в макросистемах. Причем за меру необратимости удобно принятьразность между dS и />, которая равна нулю дляобратимых процессов и больше нуля для необратимых.
Используя это соображение, можно утверждать, что всепроцессы в макросистемах протекают таким образом, что
/> (10)
Если процесс круговой, то
/> (11)
причем знак неравенства относится к неравновесным процессам,а равенство характеризует равновесные процессы.
Таким образом, энтропия действительно является такойфункцией состояния, применение которой позволяет определить направленностьпротекания реальных процессов в макросистемах. Второе начало термодинамикивыражает это утверждение в форме постулата.5. Второе начало термодинамики
Второе начало термодинамики — один из принциповтермодинамики, постулирует существование еще одной функции состояния — энтропиии определяет характер ее изменения в обратимых и необратимых процессах,утверждая, что изменение энтропии в макросистемах больше или равно изменениюприведенной теплоты для неравновесных и равновесных процессов соответственно.
Математическим выражением второго начала термодинамикиявляется соотношение между элементарным изменением энтропии иприведеннойтеплотой:
/>. (12)
Воспользуемся первым началом термодинамики и выразим в выражении(12) количество теплоты dQ через изменениевнутренней энергии dE и элементарную работу dA.
Получим:
/> (13)
Знак равенства в выражении (13) соответствует обратимымпроцессам, неравенство характеризует изменение энтропии в неравновесныхпроцессах. Таким образом, для равновесных процессов из выражения (13) имеемравенство:
TdS = dE+ dA, (14)
называемое основным уравнением термодинамики для равновесныхпроцессов, и неравенство:
TdS>dE+ dA, (15)
называемое основным неравенством термодинамики длянеравновесных процессов.
Процессы в макросистемах могут протекать только при условиивыполнения соотношений (12).
Существует несколько эквивалентных формулировок второгоначала термодинамики, они отражают исторический ход развития знаний в этойобласти и подчеркивают различные стороны проблемы.
Формулировка Клаузиуса (1850): процесс, при котором всистеме не происходит никаких изменений, кроме передачи теплоты от горячеготела к холодному, является необратимым; иначе говоря, теплота не можетсамопроизвольно перейти от более холодного тела к более горячему без каких-либодругих изменений в системе.
Формулировка Томсона (Кельвина) (1851): процесс, при которомтеплота переходит в работу, является необратимым; иначе говоря, невозможнопреобразовать в работу всю теплоту, взятую от тела с однородной температурой,не производя никаких других изменений в состоянии системы.
Принцип невозможности создания вечного двигателя второгорода: невозможно создать периодически работающую машину, которая производила быработу за счет поглощения теплотыодного теплового резервуара, невызывая при этом никаких других изменений состояния системы. (Такуювоображаемую машину принято называть вечным двигателем второго рода)6. Обратимые и необратимые процессы
По второму началу термодинамики в природе возможны процессы,при которых превращение теплоты в работу связано с компенсацией, и невозможныпроцессы, при которых такое превращение не сопровождается компенсацией. Этоприводит к делению всех процессов в замкнутой системе на обратимые инеобратимые. Процесс перехода системы из состояния 1 в 2 называетсяобратимым, если возвращение этой системы в исходное состояние из 2 в1 можно осуществить без каких бы то ни было изменений в окружающих внешнихтелах. Процесс же перехода системы из состояния 1 в 2 называетсянеобратимым, если обратный переход системы из 2 в нельзя осуществить безизменений в окружающих телах. Очевидно, что всякий квазистатический процессявляется обратимым. Действительно, при квазистатическом процессе состояниесистемы в каждый момент полностью определяется внешними параметрами и температурой,поэтому при равновесных изменениях этих параметров в обратном порядке систематакже в обратном порядке пройдет все состояния и придет в начальное состояние,не вызвав никакого изменения в окружающих телах.
При процессах с трением, как мы отмечали, работа может бытьбез компенсации превращена в теплоту; так как обратный переход системы изконечного состояния в начальное связан с переходом теплоты в работу, а этоневозможно осуществить без изменения в окружающих телах, то, следовательно,процессы с трением необратимы. А так как всякий равновесный процесс обратим, тонеобратимый процесс с трением неравновесен.
Мерой необратимости процесса в замкнутой системе являетсяизменение новой функции состояния — энтропии, существование которой уравновесной системы устанавливает первое положение второго начала оневозможности вечного двигателя второго рода. Однозначность этой функциисостояния приводит к тому, что всякий необратимый процесс являетсянеравновесным. Верно и обратное заключение: всякий неравновесный процесснеобратим, если в дополнение ко второму началу осуществляется достижимостьлюбого состояния неравновесно, когда оно достижимо из данного равновесно[всясовременная практика подтверждает выполнение этого условия; однакопротивоположное условие выполняется не всегда]. Деление процессов на обратимыеи необратимые относится лишь к процессам, испытываемым изолированной системой вцелом; разделение же процессов на равновесные и неравновесные с этим не связано.
В качестве примеров необратимых процессов приведем следующие:
1. Процесс теплопередачи при конечной разности температур,необратим, так как обратный переход связан с отнятием определенного количестватеплоты у холодного тела, превращением его без компенсации (некомпенсировано) вработу и затратой ее на увеличение энергии нагретого тела. Необратимость этогопроцесса видна также из того, что он не статичен.
2. Расширение газа в пустоту необратимо, так как при такомрасширении не совершается работа, а сжать газ так, чтобы не совершить работу,нельзя. Произведенная же при сжатии работа идет на нагревание газа. Чтобы газне нагревался, нужно отнять у него теплоту и превратить ее в работу, чтоневозможно без компенсации.
3. Процесс диффузии необратим. Действительно, если в сосуде сдвумя различными газами, разделенными перегородкой, снять перегородку, токаждый газ будет диффундировать в другой.
Для разделения газов каждый из них нужно сжимать. Чтобы онине нагревались, необходимо отнять у них теплоту и превратить ее в работу, чтоневозможно без изменения в окружающих телах.
7. О тепловой смерти мира
Постепенно все горячие тела будут отдавать энергию болеехолодным. Энтропия будет возрастать. Наконец, все температуры уравниваются. Энтропиядостигнет максимума, что будет соответствовать полному хаосу. В мире останетсятолько энергия беспорядочного движения молекул.
Никакое упорядоченное механическое движение тогда не можетбыть получено. Все процессы прекратятся. Наступит тепловая смерть мира. Этапроблема серьезно волновала ученых в конце XIX в.
Однако, во-первых, всю вселенную нельзя считать замкнутойсистемой, а наши рассуждения относятся только к таким системам. Во-вторых, ужеговорилось о том, что переход от полного беспорядка к порядку оченьмаловероятен.
Поэтому применяется второе начало термодинамики ко всейВселенной и необозримо большим промежуткам времени не следует.
8. Термодинамическая шкала температур. Третьеначало термодинамики. Недостижимость абсолютного нуля
Второе начало термодинамики можно использовать дляпостроения термодинамической шкалы температур. Так как КПД цикла Карно независит от рабочего тела, то можно вообразить такую процедуру.
Некоторое стандартное тело в определенном состоянии (например,вода, кипящая при атмосферном давлении) выбирается в качестве нагревателя. Другоестандартное тело (например, лед, тающий при атмосферном давлении) выбирается вкачестве холодильника. Разность температур Тни Гх(сами температуры пока неизвестны) делится на произвольное число частей, чемустанавливается размер градуса (скажем, на сто частей). Осуществляетсяобратимый цикл Карно с каким-либо веществом. Измеряется количество теплоты Q1, заимствованной от нагревателя, и количествотеплоты Q2, отданной холодильнику:
/> (15)
Имея, кроме того, условие:
TH-TX=100°С,
получаем два уравнения, определяющие Tни Тх. Если теперь взять некое вещество при неизвестнойтемпературе Т и использовать его в качестве нагревателя при прежнемхолодильнике (температура Tх), то, проводяцикл Карно и измеряя Q1’иQ2’, можно написать:
/>
Отсюда находится искомая температура Т.
Построенная таким образом шкала температур, как выяснилось,совпадает со шкалой, получаемой при измерениях с газовым термометром.
Из уравнения (15) следует, что нулем температуры являетсятемпература, при которой количество теплоты Q2равно нулю.
В этом случае КПД цикла Карно должен равняться единице. Таккак большим он стать не может (по первому началу), то эта температура наинизшая.Термодинамическая шкала совпадает со шкалой газового термометра, значит,совпадают и их нулевые точки. Напомним, что абсолютным нулем являетсятемпература t= — 273,15 °С. Согласно второмуначалу невозможно получить КПД тепловой машины, равный единице, поэтому можнодать еще одну формулировку второго начала, подчеркивающую это обстоятельство: абсолютныйнуль температуры принципиально недостижим, хотя к нему можно приблизиться скольугодно близко. В настоящее время уже получена температура, составляющая всего10-6 К.
Так как энергия беспорядочного движения частиц газапропорциональна температуре, то следует ожидать, что при абсолютном нулебеспорядочное движение должно прекратиться — частицы будут располагатьсянаиболее упорядоченным образом (но, конечно, будут иметь место внутримолекулярныеили внутриатомные движения). Этой наибольшей упорядоченности расположения частицдолжна отвечать наименьшая энтропия.
В. Нернст (1864 — 1941), основываясь на рядефизико-химических наблюдений, высказал положение, часто называемое третьимначалом термодинамики: энтропия любой макросистемы при стремлении еетемпературы к абсолютному нулю стремится к одному и тому же для всех системпостоянному значению, которое можно принять равным нулю.
В заключение отмечу, что область приложения термодинамики неограничивается только тепловыми процессами. Изменения внутренней энергии засчет химических процессов, процессов горения, внутриатомных превращений имногих других (включая и процессы, происходящие в живых организмах) такжеуспешно исследуются термодинамикой. Однако сложность подобных исследований непозволяет изучать их в общем курсе физики.
9. Необходимые и достаточные условия существованиясистем
Рождение жизни на Земле, ее развитие и существование,антропогенная деятельность находятся в строгом соответствии со вторым началомтермодинамики — законом возрастания энтропии. Этот закон показывает, как икаким образом происходит неизбежное ухудшение качества окружающей среды длядостижения главной цели — обеспечения существования жизни на планете иустойчивого развития.
Для эволюции упорядоченных систем и их существованиятребуются необходимые и достаточные условия:
необходимы источники, снабжающие системы веществом, энергиейс низкой энтропией;
возможность избавления от отходов, обладающих высокойэнтропией.
Особенность живого организма состоит в том, что онподдерживает себя на сравнительно низком уровне энтропии, пользуясьвысококачественной энергией, за счет возрастания энтропии окружающей среды, аусловием существования жизни является достаточность энтропийных запасовокружающей природной среды. Для обеспечения жизни окружающая среда должнанаходиться в «достаточном упорядоченном состоянии». В ней должнынаходиться ряд питающих подсистем: солнечное излучение, воздух, вода, минералы,растения, животные и т.п. Существование и развитие жизни создают новыевысокоупорядоченные системы, но при этом ускоряются процессы возрастанияэнтропии. В окружающую среду (в космос) выносятся низкокачественные потокиэнергии (длинноволновые излучения) и другие отходы человеческой цивилизации. Жизньсоздает актуальную упорядоченность из неактуальной неупорядоченности. При этомпроисходит увеличение энтропии в неактуальной части общей системы. В нашемслучае актуальной подсистемой является биосфера на Земле, неактуальной — космическоепространство, откуда приходит солнечное излучение, дающее жизнь на Земле. Тудаже, в космическое пространство, рассеивается излучение с земной поверхности. Этоизлучение обладает большей энтропией, т.е. более низким качеством энергии, чемпоток солнечного излучения. Поэтому рост упорядоченности в биосфере Земли сбольшим избытком оплачен увеличением энтропии Вселенной. Главное при этомзаключается в том, что происходит перемещение роста энтропии в неактуальныечасти системы. Таким образом, в полном согласии с законом возрастания энтропиидостигается локальное уменьшение энтропии в актуальных для жизни человекаподсистемах. В действительности, нет ни одного процесса в жизни, где нарушалсябы закон возрастания энтропии. Все процессы в биосфере связаны с этим законом. Человек,как высший продукт живой природы, находится на верхнем уровне энтропийнойпирамиды, где ее значение имеет очень малое значение, но устойчивость этогоуровня обеспечивается за счет значительного возрастания энтропии нижележащихуровней и других питающих подсистем. Положение уровня человека весьмачувствительно к любым внешним воздействиям и требуется большой набордополнительных достаточных условий, обеспечивающих относительную стабильностьсуществования этого уровня, сложившегося в ходе длительных процессов эволюцииживой материи. Мало того, что для обеспечения человеческой жизни нужны воздух,вода, пища, жилище, солнечное излучение и многое другое, но требуется, чтобывода и воздух были чистыми. Такие, к каким привык человек за долгие годыэволюционного развития. Требуется большой набор биотических и абиотическихфакторов, обеспечивающих достаточность устойчивости жизни. Быстрое изменениеодного из этих факторов может нарушить устойчивость уровня в пирамиде, где находитсячеловек. Ни состав воды, ни состав воздуха и т.д. не должны быстро меняться отсостава, сложившегося за эволюционный период. Если, например, абиотическиефакторы меняются (состав воды, воздуха и т.п.), то скорость этих измененийдолжна быть такой, чтобы успевал срабатывать механизм адаптации живогоорганизма. Необходимые (обязательное наличие низкой энтропии открытойподсистемы за счет большего прироста энтропии внешних питающих систем) идостаточные (набор биотических и абиотических факторов, постоянных илименяющихся со скоростью адаптации) условия обеспечивают устойчивость жизни вбиосфере. Необходимо отметить, что эти условия не охватывают все сторонымногогранной жизни человека и общества с его наукой, культурой, производством,искусством, этикой, моралью и т.д., однако они являются фундаментом и каркасомздания, в котором живет и творит человек.10. Энтропия Земли
Планета Земля вместе с живой и неживойприродойпредставляет собой сложнейшую самостоятельную экосистему, в которой нужнозаботиться о ее состоянии, способном обеспечить существование жизни. Для этогонеобходимо, чтобы имелись, во-первых, источники, в которых будет происходитьвозрастание энтропии в системе «Земля — космос» за счет уменьшенияэнтропии в ноосфере, во-вторых, необходимы способы избавления от отходовчеловеческой цивилизации. Важнейшим источником энергии с низким значениемэнтропии является солнечное излучение, которое обеспечивает жизнедеятельность биосферы,протекание различных неравновесных процессов, включая фотосинтез и другиебиохимические и биофизические реакции.
Длинноволновое тепловое излучение Земли, уходящее в космос,уносит часть «отходов» в виде приращения энтропии, как неизбежногопобочного продукта многих земных процессов естественного и техногенногопроисхождения. Баланс энергии при этом сохраняется. Главное заключается в том,что солнечная энергия обладает более низкой энтропией (следовательно, болеевысоким качеством энергии), чем уходящее в космос длинноволновое излучениеЗемли, обладающее более высокой энтропией (следовательно, более низким качествомэнергии). Иными словами, Земля получает от Солнца качественную энергию с низкойэнтропией, а отдает в космос некачественное излучение с высокой энтропией и,таким образом, «очищается» от избытка энтропии. Последний процесстакже важен, как и первый процесс получения качественного солнечного излучения.Эти две стороны пока не вызывают беспокойства: солнечного излучения хватит намиллионы лет, а приращение энтропии во Вселенной за счет поступления избытковэнтропии от антропогенной деятельности ничтожно мало. Вопрос в другом. Врезультате научно-технической революции и научно-технического прогрессанарушается устойчивое равновесие системы «человек — среда». Внастоящее время настолько много различных видов загрязнений биосферы, чтотребуются специальные дополнительные меры для их утилизации. Но с другойстороны, для их утилизации требуется энергия и средства. Это вызываетприращение энтропии в других областях, которые поставляют эту энергию исредства.
Возникает заколдованный круг, одно место очищают, передвигаяотходы в другое место, аналогично тому, что дымовая труба строится выше с тем,чтобы продукты выхлопа уносились по возможности дальше, в соседнюю область. Еслирассматривать в целом весь Земной шар, то категория «чистое производство»,«полная утилизация» при глобальном балансе представляет собойизбавление от своих отходов за счет увеличения их суммарного количества напланете. Для выхода из этого порочного круга можно рассмотреть два пути:
лучше и эффективнее использовать солнечное излучение;
найти и ввести новые источники энергии с низкой энтропией.
По первому способу возможно в недалеком будущем в космосесоздать приемники солнечного излучения в виде совершенных гелиобатарей и передаватьэту энергию на Землю.
По второму способу можно использовать атомную илитермоядерную энергию. При этом имеем низкую энтропию процессов высвобожденияэнергии при превращении атомных ядер. Однако, при всё увеличивающемся ростеэнергопотребления (например, в 102 раз больше, чем в настоящее время)снова встанет проблема захоронения радиоактивных отходов в огромных количествахи избавления от тепловых загрязнений. Бросовое тепло от атомных станций идругих источников энергии вызовет существенный нагрев атмосферы, гидросферы,литосферы, что является серьезной угрозой, нарушающей устойчивое равновесие.
Оценим величину энтропии, применительно к тепловой системе«Земля». Считаем, что падающее солнечное излучение имеет внутреннююэнергию Е1и температуру Т2а рассеянноеЗемлей в космос излучение имеет соответственно Е2и Т2.
В среднем энергия на Земле не накапливается, поэтому сизвестным приближением можно считать, что Е1=Е2 = Е иэнтропия на Земле равна разности энтропии падающего солнечного излучения ирассеянного в космос излучения Земли. Считаем Землю равновеснойтермодинамической системой типа абсолютно черного тела. Величина энтропии Землипо абсолютной величине будет равна [3, 4]:
/> (16)
Считая T2 ≈6000К и T2 ≈300 К, с учетоминтенсивности солнечного излучения и геометрических размеров Земли, имеем:
/>кал∙град-1∙г-1(17)
Учитывая, что /> выражение(17) примет вид:
/>, кал∙град-1∙г-1. (18)
Из (18) видно, что чем меньше Т2т.е. болееглубокое охлаждение уходящего излучения от Земли в космос при постоянныхколичестве и качестве солнечного излучения, тем можно больше добиться большейразности энтропии между качественной солнечной энергией и низкокачественной,рассеянной в космос энергией Земли. При большей деградации энергии Е2Земли, рассеиваемой в космос в виде более длинноволнового излучения,большее число фотонов будет переносить заданное количества энергии, так каксолнечное излучение, падающее с энергией Е1и частотой v1 имеет N1квантов, а уходящее в космос с поверхности Земли излучение с энергией Е2имеет N2квантов. Учитывая, что E1 = E2иv1>v2, имеем:
N1hv1 = N2hv2 (19) или /> (20)
Увеличение числа квантов N2с частотой v2
Растительный покров Земли дополнительно способствует охлаждениюуходящего излучения, т.е. температура Т2уменьшается, но приэтом увеличивается рост энтропии Вселенной. Снова приходим к начальномутолкованию. Локально в отдельной упорядоченной подсистеме можно добитьсяуменьшения энтропии, но для всей системы в целом будет большее пиращениеэнтропии. Для отдельных термодинамических систем важнейшей характеристикойявляется производная энтропии по времени: dSi/dt, гдеSi — внутренняя энтропия системы. Через эту величину можно выражать условиядинамического равновесия, эволюционного развития и устойчивого равновесия.
В ходе различных производственных процессов, использованияприродных ресурсов, распыления материалов в окружающей среде, образования ввиде физических, химических и биологических загрязнений энтропия системы «человек- окружающая среда» увеличивается.11. Энтропия и критерий технического прогресса
Введем понятие энтропии, под которым будем понимать энтропиюс обратным знаком, чтобы привести в соответствие повышение качества энергии сростом негэнтропии. Энтропия же при этом уменьшается с повышением качестваэнергии.
Одним из объективных факторов оценки развитого обществаявляется потребление энергии на душу населения. Воспользуемся общим подходом,развитом в [3, 4] и связывающим неэнтропию с критерием технического прогресса.
Считаем, что за время Δt обществом использованоΔЕ1энергии. Введем критерий К1которыйоценивает энергопотребление общества за период Δt:
/> (21)
Естественно, что критерий K1(t) характеризует развитие общества толькопо одному критерию — энергопотреблению.
В развитом обществе коэффициент полезного действия ŋ1(t)) при использовании энергии будет выше. Тогдакритерий технического прогресса K (t) запишем в виде:
/> (22)
С учетом состояния имеющихся в окружающей природной средеисточников энергии E2 (t) за этот период критерий технического прогресса запишемв виде:
/> (23)
Учитывая актуальность использования энергии в важных,общественно полезных сферах жизнедеятельности, необходимо ввести еще одинкоэффициент — «социально-полезный» КПД />2(t). Тогда (23) запишем в виде:
/> (24)
Затем в выражении (24), заменив энергию на негэнтропию,получаем:
/>, (25)
где /> - затраченное(использованное) количество негэнтропии; S2(t) — реально доступные за время запасынегэнтропии.
Безусловно, критерий технического прогресса К5(t) можно уточнять, учитывая различныефакторы жизнедеятельности. Однако из (25) видны степени технического уровня,истощение природных ресурсов и загрязнения окружающей природы среды.
Расход негэнтропии />вединицу времени в выражении (25) представляет собой величину, близкую кпроизводной внутренней энтропии S1открытойтермодинамической системы. Выражение (25) в общем виде может оценивать запасыприродного топлива, материалов и других ресурсов, степень загрязнения окружающейсреды с учетом реально доступных запасов негэнтропии S2(t). Эти запасы постоянно убывают, причем вряде случаев значительно быстрее, чем скорость восстановления окружающейприродной среды.
При этом можно допустить скачкообразный рост негэнтропии />за счет качественногоскачка в миропонимании, мощного прорыва в техническом прогрессе, каким являетсяядерная энергетика. Научно-технические достижения в части утилизации отходов иосвобождения от тепловых загрязнений также могут способствовать ростунегэнтропии.
Библиография
1. Базаров И.П. термодинамика: учеб. для. вузов. — 4-е изд., перераб. и доп.- М.: Высш. Шк., 1991. — 376 с.: ил.
2. Бордовский Г.А., Бурсиан Э.В. Б.82. общая физика: курс лекций скомпъютерной поддержкой: Учеб. пособие для студ. Высш. Учеб. заведений: В 2 Т. — М: Издательство Владос-пресс, 2001. — Т.1. — 240с.: ил.
3. Гершензон Е.М. и др. Г37 Молекулярная физика: учеб. пособие для студ. Высш.Пед. Учеб. заведений /Е.М. Гершензон, И.Н. Малов, А.М. Мансуров. — М.: Издательскийцентр «Академия», 2000. — 272 с.
4. Кричевский И.Р., Петрянов И.В. К828 Термодинамика для многих. М., «Педагогика»,1975., 160с с ил. (библиотечка Детской энциклопедии «Ученые — школьнику»)
5. Куклев Ю.И. к.89. Физическая экология: Учеб. пособие. — М.: Высшаяшкола, 2001. — 357 с.: ил.