Вход

Энтропия термодинамическая и информационная

Реферат по физике
Дата добавления: 16 апреля 2003
Язык реферата: Русский
Word, rtf, 247 кб
Реферат можно скачать бесплатно
Скачать
Данная работа не подходит - план Б:
Создаете заказ
Выбираете исполнителя
Готовый результат
Исполнители предлагают свои условия
Автор работает
Заказать
Не подходит данная работа?
Вы можете заказать написание любой учебной работы на любую тему.
Заказать новую работу
План рефер ата : Энтропия – энциклопедическое понятие 3 Термо дина мическое описание энтропии 3 Энтропия и общество 5 Информационный аспект 7 Смысловая информация и бессмысленная 8 Краткий вывод 9 Список использованной литературы 10 Чтобы каким-либо образом описать упоряд оченность любой системы , физикам необходи мо было ввести величину , функцию состояния системы , которая бы описывала ее упорядочен ность , степень и параметры порядка , самооргани зованность системы. От греческо го entropia -- поворот , превращение . Понятие энтропи и впервые было введено в термодинамик е для определения меры необратимого рассеяния энергии . Энтропия широко применяется и в других областях науки : в статистической ф изике как мера вероятности осуществления како го - либо макроскопического состояния ; в теор и и информации - мера неопределенности какого-либо опыта (испытания ), который может иметь разные исходы . Все эти трактовки энтропии имеют глубокую внутреннюю связь . Энтропия — это функция состояния , то есть любому состоянию можно сопоставить вполне определе нное (с точность до кон станты -- эта неопределенность убирается по дог оворенности , что при абсолютном нуле энтропия тоже равна нулю ) значение энтропии . Для обратимых (равновесных ) процессов выполняется с ледующее математическое равенство (следствие так называемого равенства Клаузиуса ) Q - подведенная теплота, T - температура , A и B - со стояния , S A и S B - энтропия , соответствующая этим состояниям (здесь рассматривается процесс перехода из состояния А в со стояние В ) Для необратимых процессов выполняется нер авенство , вытекающее из так называемого нерав енства Клаузиуса Поэтому энтропия адиабатически изолированной (нет по двода или отвода тепла ) системы при необра тимых процессах может только возрастать . Используя понятие энтропии Клаузиус (1876) дал наиболее об щую формулировку 2-го нача ла термодинамики : при реальных (необратимых ) ад иабатических процессах энтропия возрастает , дости гая максимального значения в состоянии равнов есия (2-ое начало термодинамики не является абсолютным , оно нарушается при флуктуациях ). Значит функция состояния , дифференциалом которой является Q / T , на зывается энтропией и обозначается обычно S . . Отметим , что спр аведливость этого выражения для полного дифференциала энтропии доказана выше лишь для обратимых процессов идеального газа. Так же энтропия S определятся логарифмом числа микро состояний , посредством которых реализуется рассма триваемое макросостояние , т.е. , (формула Больцмана ) где k – постоянная Больцмана , Г - число микросостоя ний. Энтропия системы в каком-либо обратимом процессе изменяется под влиянием вн ешних у словий , воздействующих на систему . Механизм воздействия внешних условий на энтропию состоит в следующем . Внешние условия определяют микросостояния , доступные системе , и их число . В пределах доступных для нее микросостояний система достигает равновесног о с о стояния , а энтропия – соо тветствующего значения . В результате значение энтропии следует за изменением внешних услов ий , достигая максимального значения , совместимого с внешними условиями. Чем более сильно упорядочена система , тем меньше число микросостояний , которыми осуществляется макросостояние . Допустим , например , что все ато мы закреплены в определенных местах . Тогда существует только одно микросостояние , а со ответствующая ему энтропия равна нулю . Чем больше число микросостояний , тем больше раз упорядоче на система . Поэтому можно сказат ь , что энтропия является мерой упорядоченност и системы . В состоянии равновесия энтропия достигает своего максимального значения , поскол ьку равновесие есть наиболее вероятное состоя ние , совместимое с фиксированными условиями и , следовательно , является макросостоя нием , осуществляемым посредством максимального чи сла микросостояний . Очевидно , что система , пред оставленная самой себе , движется в направлени и равновесного состояния , т.е . энтропия должна возрастать в предоставленной самой себе системе. Энтропия определяется логарифмом числа микросостояний , посредством которых реализу ется макросостояние . В состоянии равновесия э нтропия достигает максимального значения , посколь ку в равновесном состоянии термодинамическая вероятность мак симальна . Отсюда следует , ч то энтропия изолированной предоставленной самой себе системы должна возрастать до тех пор , пока не достигнет максимального значен ия , совместимого с условиями. Следует заметить , что при адиабатическом обратимом процессе энтропия н е измен яется , так как при адиабатическом расширении газа за счет увеличения объема энтропия увеличивается , однако за счет уменьшения температуры , которое при этом происходит , она уменьшается и эти две тенденции полность ю компенсируют друг друга. Неубывание энтропии в изолированной системе обусловливается в конечном счете р авновероятностью всех ее микроскопических состоя ний , приводящей систему в наиболее вероятное макросостояние. В процессах изолированной системы энтропи я не убывает , в то время как в про цесс ах неизолированных систем энтропия мо жет и возрастать , и убывать , и оставаться неизменной в зависимости от характера пр оцесса. Так же отметим изменение энтропии в необратимых процессах . Вычисление основывается на том , что энтропия является функцией сос тоян ия . Если система перешла из одного состояния в другое посредством необратимого процесса , то логично мысленно перевести с истему из первого состояния во второе с помощью некоторого обратимого процесса и р ассчитать происходящее при этом изменение энт ропии . О н о равно изменению энтропи и при необратимом процессе. Рассмотрим роль энтропии в производстве работы : принцип Кельвина запрещает циклическ ий процесс , результатом которого было бы п ревращение нацело некоторого количества теплоты в работу в результате контакт а с одним тепловым резервуаром . Формула для к .п.д . цикла Карно показывает , что взятое от нагревателя количество теплоты лишь частично может быть превращено в работу , причем часть теплоты , превращаемая в работу , тем больше , чем меньше температура холодильн и ка . Физической причиной этого явл яются требования второго начала термодинамики . Поскольку энтропия при любых процессах в замкнутых системах не убывает , некоторое ко личество теплоты не может нацело превратиться в работу потому , что это означало бы исчезнов е ние соответствующей энтропи и , что противоречит второму началу термодинам ики . При совершении работы в д олжна быть передана по крайней мере такая же энтропия , какая была взята от нагр евателя . Максимальный к.п.д . достигается в обрат имой машине , п оскольку в этом случае холодильнику передается минимально возможная энтропия. Теперь рассмотрим другое приложение понят ия энтропия : Давно было замечено , что в одну и ту же реку дважды войти нельзя . Мир вокруг нас м еняется , наше общество меняется , и мы с ами , члены общества , только стареем . Из менения необратимы . Энтропия первоначально была введена для объяснения закономерностей работы тепловой м ашины . В узком смысле энтропия характеризует равновесное состояние замкнутой системы из большого числа частиц . В обычном понимании равновесие в сист еме означает просто хаос . Для человека мак симум энтропии - это разрушение . Любое разрушен ие увеличивает энтропию . Энтропия замкнутой системы необратима . Но в природе полностью замкнутых систем не существует . А для откр ытых неравновес ных систем точного определения энтропии пока не известно . Измерить энтропию нельзя . Из строгих физических законов она не выводи тся . Энтропия вводится в термодинамике для характеристики необратимости протекающих в газ ах процессов . Многие уче ные не считают феномено логические законы термодинамики законами природы , а рассматривают их как частный случай при работе с газом с помощью тепловой машины . Поэтому не рекомендуются расширенная трактовка энтропии в физике . С другой стороны необратимость п р отекающих физических процессов и самой нашей жизни – это факт . С этой позиции вполне оправдано использование понятия энтропи и в нефизических дисциплинах для характеристи ки состояния системы . Все природные системы , включая человеческ ий организм и человече ские сообщества , не являются замкнутыми . Открытость системы позволяет локальным образом уменьшать энтропию за счет обмена энергией с окружающей с редой , что приводит к упорядочению и услож нению структуры системы . Человеческие сообщества в любом виде , от пл емен и групп до народов и социальных обществ , также являются системами . Каждое человеческое сообщество имеет свои законы и структуру взаимодействий . Будем гово рить об обществе в целом , ограничивая его рамками государств . Любое общество как система старает ся сохранить себя в окружающем мире . Для этого существуют государственные , обществе нные , социальные и другие институты . Применени е энтропии для характеристики общества позвол яет установить некоторые приблизительные рамки , в пределах которых общество может успешно развиваться или , наоборот , дегради ровать . В настоящее время существует множество параметров , характеризующих то или иное общ ество . Но большинство из этих параметров , в конечном счете , сводится к двум видам : параметры , характеризующие открытое демо кр атическое общество , и параметры , описывающие т оталитарные системы . Почему западные государства достигли тако го впечатляющего прогресса в экономике и государственном устройстве и существенно опережа ют в своем развитии другие общественные с истемы ? Западно е общество характеризуется большей степенью открытости . Более открытая с истема , с одной стороны , впускает в себя больше энергии из внешнего мира и дает больше степеней свободы своим элементам , с другой стороны – позволяет увеличить о тток «недоброкачествен н ой» энергии . Т аким образом , энтропия системы уменьшается . Пр и этом усложняется структура системы , что в западном обществе мы и наблюдаем . В более замкнутой общественной системе имеют место обратные процессы . Энтропия уве личивается . Структура общества упро щается . Ярким примером такой системы служит Северная Корея . Структура общества упростилась до трех основных элементов – партийная элита , армия и все остальные . Таким образом , можно сделать вывод , чт о для успешного развития общества необходимо соблюдение н екоторых условий . Главным из таких условий является степень свободы элементов общества , т.е . людей . Степень сво боды человека можно определять в терминах прав человека , политических свобод , экономическ их возможностей . Суть от этого не меняется . Человек дол ж ен иметь право н а свободу выбора целей и путей их дос тижения . Если право выбора человека слишком ог раничивается , то в обществе начинаются застой ные процессы , и оно постепенно приходит в упадок . Как пример можно привести Советск ий Союз . Выбор человека огра ничивался идеологическими установками и партийной принадле жностью . Добиться успеха , сделать карьеру вне партии было сложно . В конце концов , ос талась одна возможность продвижения : школа , ин ститут комсомол , партия . Партийная принадлежность была необходима д л я достижения успеха в любой сфере деятельности . Такой вариант общественных отношений , в конечном счете , привел к упрощению структур ы общества и последующему упадку . Открытость общества не является панацеей от всех бед , но создает предпосылки для дальнейше го прогресса . Демократия - не лучшая система управления . Но , по - видимому , это одна из необходи мых степеней свободы . При детальном исследова нии можно вычислить необходимое для развития количество степеней свободы личности . Перебо р также не желателен . В э том случа е отдельные части общества получают слишком большую независимость , что может привести к распаду целого на отдельные независимые составляющие . Поэтому на Западе наблюдается такое о громное количество норм и правил , регулирующи х все сферы жизни чело века . Большое количество норм и законов необходимо для регулирования сложной структуры общества и сохранения его целостности . Не следует также путать экономическую и военную мощь государства с общественными институтами . Замкнутые общества могут иметь обол очку в виде мощных и сильных государств . Советский Союз тому пример . Г осударство является вторичным по отношению к обществу . Государства могут исчезать , но люди на территории остаются , и , следовательно , остается общество , которое в отсутствии государства м ожет получить новый им пульс к развитию . Если же распадается обще ство , то государство исчезает навсегда . В России государственное устройство неоднократно м енялось , но общество , видоизменяясь , не распада лось . При использовании понятия энтропии нельзя обойти сь без закона сохранения . К сожалению , он гласит , что если энтропия где-то убывает , то где-то она прибывает . Про гресс человечества в целом , и общественных институтов - в частности , приводит к уменьше нию энтропии системы . Значит , энтропия окружаю щей челове к а среды увеличивается . Это приводит к гибели природы и экологиче ским катастрофам . На земле кроме человека есть и др угая жизнь . Реакция живой природы на разру шающие действия человеческой системы может бы ть многообразной : от новых болезней и эпид емий до мут антов и планетарных катаст роф . Теперь можно разобрать энтропию в информационном аспекте. При подходе к сложным системам исполь зуются законы статистической физики. В этой об ласти физики предпринимается , в частности , поп ытка вывести феноменологические мак роскопиче ские законы термодинамики из микроскопической теории . Такой микроскопической теорией может быть ньютоновская механика отдельных частиц газа или квантовая механика . Используя соот ветствующие статистические средние , мы получаем возможность вывести макроскопические ве личины из микроскопических законов . Центральным понятием и в этом случае является энтр опия S . Согласно Больцману , она связана с числом W различных микроскопических с остояний , порождающих одно и то же макроск опическое состояние системы со отношением Решающее значение имеет так и не получивший убедительного ответа вопрос о том , почему макроскопические явления необратимы , хотя все фундаментальные законы обратимы . Например , если у нас есть сосуд с м олекулами газа и мы откроем клапан , чтобы газ мог попасть во второй сосуд , то оба сосуда окажутся заполнены газом более или менее равномерно . Однако обратный про цесс в природе никогда не наблюдается : ни к ому не доводилось видеть , чтобы второй сосуд самопроизвольно опустел и в се молекулы собрались в первом сосуде. Несмотря на трудности , связанные со строгим обоснованием необратимости , статисти ческая физика позволяет нам объяснить ряд явлений неравновесной т ермодинамики , такие , как релаксационные процессы , теплопроводность , диффузия молекул и т.д. Использование слова "информация " пр иводит ко многим недоразумениям . Это связано с тем , что оно имеет много различных значений . В обыденном языке это слово используе тся в смысле "сообщение " или "сведения ". Письмо , телевизионная передача или телефонный разговор несут информацию . Начнем с понятия Шенноновской информации , согласно которому информация оценивается независимо от ее смысла . Средняя информация , приходящаяся н апример , на одну букву в книг е определяется выражением , где p j – относительная частота j - ой б уквы. Шеннон использовал такое определение инфо рмации при изучени и пропускной способност и канала связи — способности передавать информацию даже при наличии помех . Шенноновск ая информация никак не связана со смыслом передаваемого сигнала . В его концепцию ин формации не входят такие аспекты , как осмы сленность или бессмысл е нность , полезн ость или бесполезность и т.д . Шенноновская информация относится к замкнутым системам . Им еется ограниченный резервуар сигналов , число которых равно Z . Одна из наиболее поразительных особенностей любой биологической системы — необычайная высока я степень координации между ее отдельными частями . В клетке о дновременно и согласованно могут происходить тысячи метаболических процессов . У животных о т нескольких миллионов до нескольких миллиард ов нейронов и мышечных клеток своим согла сованным действием обеспечивает координир ованные движения , сердцебиение , дыхание и кров ообращение. Распознавание образов — процесс в вы сшей степени кооперативный , равно как и ре чь и мышление у людей . Совершенно очевидно , что все эти высоко координированные , ког ерентные проце ссы становятся возможными т олько путем обмена информацией , которая должн а быть произведена , передана , принята , обработа на , преобразована в новые формы информации и должна участвовать в обмене информацией между различными частями системы и вмест е с тем меж д у различными иера рхическими уровнями . Так мы приходим к неп реложному выводу о том , что информация яв ляется решающим элементом существования самой жизни. Понятие информации весьма тонкое . Как мы видим , она может так же обретать ро ль своего рода среды , сущ ествование ко торой поддерживается отдельными частями системы — среды , из которой эти части получа ют конкретную информацию относительно того , к ак им функционировать когерентно , кооперативно . И на этом уровне в дело вступает с емантика . Второе начало термоди намики говорит нам , что в замкнутых системах структуры распадаются и системы становятся всё бол ее однородными – по крайней мере на макроскопическом уровне . На микроуровне может царить полный хаос . Именно по этим причин ам информация не может порождаться с и стемами в состоянии теплового равновесия ; в замкнутых системах в конце концов устанавливается те пловое равновесие . Но система , находящаяся в состоянии теплового равновесия , не может и хранить информацию . Рассмотрим пример — книгу . На первый взгляд может п оказать ся , что она находится в тепловом равновеси и — ведь мы даже можем измерить ее температуру . Однако полного теплового равновеси я книга достигнет лишь после того , как типографская краска продиффундирует и , расплыва ясь по каждой странице все больше и б о л ьше , распространится по ней , — но тогда текст исчезнет. Таким образом мы видим многоликость понятия "информация ". Я думаю , что будущее этого понятия разовьется именно в разделе самоорганизации сложных систем , так как синергетическое направление в наше врем я — одно из самых перспективных и малоисследованных. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ : 1. Г . Хакен , "Информация и самоорганизация ". 2. А.Н . Матвеев , "Молекул ярная физика " 3. Большая физическая энциклопедия 4. О . Наумов , газета "Монолог " 2000г , N 4
© Рефератбанк, 2002 - 2017