🗊Презентация Статистические и термодинамические свойства макросистем

Статистические и термодинамические свойства макросистем. 1.Основные положения молекулярно-кинетической концепции. 2. Основные законы классической (равновесной термодинамики).3. Концепции эволюции реальных систем.

Макромир описывают 3 концепции: 1. Механическое движение системы описывается классической механикой Ньютона. 2. Внутреннее строение системы и её свойства описывает молекулярно-кинетическая теория. 3. Процессы превращения энергии в системе описываются классической термодинамикой.

Основные положения молекулярно-кинетической концепции. 1. Любое тело — твердое, жидкое или газообразное — состоит из большого числа весьма малых частиц — молекул (атомы можно рассматривать как одноатомные молекулы); 2. Атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом тепловом движении, не имеющем какого-либо преимущественного направления. Интенсивность движения зависит от температуры, поэтому температура показатель хаотичности системы. 3. Между частицами существуют силы взаимодействия – притяжения и отталкивания. Природа этих сил – электромагнетизм. 4. В отличие от механического движения, нагревание и охлаждение систем может привести к изменению их физических свойств (фазовые переходы – жидкость, газ, твердое тело и т.п.). Фаза – это часть системы, имеющая границу и сохраняющаяся внутри основного физического свойства системы

Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул идеального газа прямо пропорциональна его термодинамической температуре и зависит только от нее: - для n-ного количества молей, где к — постоянная Больцмана; Т — температура.

Основное применение молекулярно-кинетической теории: - для разработки криогенной и вакуумной техники; - в космонавтике; - исследование сверхпроводимости металлов; - исследование нейтронных полей в ускорителях и ядерных реакторах (термоядерный синтез).

Основные законы классической (равновесной термодинамики). Термодинамическая система – это система, состоящая из большого числа частиц, взаимодействующих между собой. Термодинамические системы могут быть: а) изолированными (замкнутыми) – это те системы, которые не сообщаются с окружаю-щей средой ни работой, ни теплом, ни веществом, ни информацией. Другое название – равновесные. Б) открытыми – сообщающиеся с окружающей средой. Открытые системы не изучаются классической термодинамикой.

Термодинамические законы. Классическая термодинамика описывается двумя законами: 1. Закон сохранения и превращения энергии - первое начало термодинамики. Q=ΔU+A, где ΔU – изменение внутренней энергии, А – работа. Количество теплоты, сообщенное телу, идет на увеличение его внутренней энергии и совершение телом работы.

Второй закон термодинамики рассматривает возможность и направление наблюдаемого процесса. Если реализуется какой-либо термодинамический процесс, то обратный процесс, при котором проходятся те же тепловые состояния, только в обратном направлении, практически невозможен. Другими словами, термодинамические процессы необратимы. Всякая предоставленная самой себе система стремится перейти в состояние термодинамического равновесия

Сущность второго начала термодинамики - невозможно осуществить процесс, единственным результатом которого было бы превращение тепла в работу при постоянной температуре. Иногда этот закон выражают в еще более простой форме: Тепло не может перетечь самопроизвольно от холодного тела к более горячему.

Рудольф Клаузиус использовал для формулировки второго закона термодинамики понятие энтропии, которое впоследствии Людвиг Больцман интерпретировал в термине изменения порядка в системе. Когда энтропия системы возрастает, то соответственно усиливается беспорядок в системе. В таком случае второй закон термодинамики постулирует (закон возрастания энтропии): Энтропия замкнутой системы, т.е. системы, которая не обменивается с окружением ни энергией ни веществом, постоянно возрастает.

Энтропия – это количественная мера хаоса в системе, мера неупорядоченности. Общий итог достаточно печален: необра-тимая направленность процессов преобразо-вания энергии в изолированных системах рано или поздно приведет к превращению всех видов энергии в тепловую, которая в среднем равно-мерно распределится между всеми элементами системы, что и будет означать термодинами-ческое равновесие, или полный хаос. Если наша Вселенная замкнута, то ее ждет именно такая незавидная участь. Из хаоса, как утверждали древние греки, она родилась, в хаос же, как предполагает классическая термодинамика, и возвратится.

Концепции эволюции реальных систем. Материя способна осуществлять работу и против термодинамического равновесия, самоорганизовываться и самоусложняться. Синергетика — теория самооргани-зации. Ее разработка началась несколько десятилетий назад, и в настоящее время она развивается по нескольким направ-лениям: это синергетика (Г. Хакен), неравновесная термодинамика (И. Пригожин), теория катастроф (Т.Кун).

. Самоорганизация - спонтанный переход открытой неравновесной системы от менее к более сложным и упорядоченным формам организации. Отсюда следует, что объектом синергетики могут быть отнюдь не любые системы, а те, которые удовлетворяют двум условиям: 1) они должны быть открытыми, т.е. обмениваться веществом или энергией с внешней средой; 2) они должны также быть существенно неравновесными, т.е. находиться в состоянии неравновесия.

Образование упорядоченных вихрей в атмосфере и океанах Земли.

Динамика популяции жертв и хищника Динамика популяции жертв и хищника

Развитие открытых и сильно неравновесных систем протекает путем нарастающей сложности и упорядоченности. В цикле развития наблюдаются две фазы: 1) период плавного эволюционного развития с хорошо предсказуемыми линейными изменениями, подводящими в итоге систему к некоторому неустойчивому критическому состоянию; 2) выход из критического состояния одномоментно, скачком и переход в новое устойчивое состояние с большей степенью сложности и упорядоченности.

Новый порядок связан с появлением и накоплением флуктуаций в системе. В дальнейшем они нарастают и способ-ствуют появлению хаоса в системе. Флуктуации ведут к возрастанию энтро-пии. Новый порядок всегда восстанав-ливается через хаос. Флуктуации расша-тывают систему, она становится неустойчивой, и любое незначительное воздействие толкнет ее к саморазруше-нию, а дальше – к выбору пути. Любая революция есть выбор пути социальной системы. Система приходит к точке бифуркации (выбора), где существует несколько альтернатив дальнейшего развития.

Явление бифуркации

Аппарат классической термодинамики – линейные уравнения, дающие всего одно решение. Аппарат неравновесной термодинамики – это нелинейные уравнения, которые дают несколько альтернативных решений, потому что неравновесная термодинамика описывает реальные процессы в природе, живых организмах, социальном обществе. Открытые системы стремятся к большей организованности, так как энтропия у них не увеличивается. Чем больше информации поступает в систему, тем система более организована, и тем меньше её энтропия.

Спасибо за внимание !