Дипломная работа: Термодинаміка і синергетика

З часом відкриття другого закону термодинаміки встало питання про те, як можна погоджувати зростання з часом ентропії в замкнутих системах з процесами самоорганізації в живій і не живій природі. Довгий час здавалося, що існує суперечність між виведенням другого закону термодинаміки і виводами еволюційної теорії Дарвіна, згідно якої в живій природі завдяки принципу відбору безперервно відбувається процес самоорганізації.

Суперечність між другим початком термодинаміки і прикладами високоорганізованого навколишнього нас світу була дозволена з появою більше п'ятдесяти років тому і подальшим природним розвитком нелінійної нерівноважної термодинаміки. Її ще називають термодинамікою відкритих систем. Великий внесок до становлення цієї нової науки внесли І.Р. Прігожін, П. Гленсдорф, Г. Хакен. Бельгійський фізик російського походження Ілля Романовіч Прігожін за роботи в цій області в 1977 році був удостоєний Нобелівської премії.

Як підсумок розвитку нелінійної нерівноважної термодинаміки з'явилася абсолютно нова наукова дисципліна синергетика - наука про самоорганізацію і стійкість структур різних складних нерівноважних систем: фізичних, хімічних, біологічних і соціальних.

У справжній роботі досліджується самоорганізація різних систем аналітичними і чисельними методами.

РОЗДІЛ 1. ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ І ПОЧАТКОВІ ПОЛОЖЕННЯ ТЕРМОДИНАМІКИ

1.1 ЗАКРИТІ І ВІДКРИТІ ТЕРМОДИНАМІЧНІ СИСТЕМИ

Всякий матеріальний об'єкт, всяке тіло, що складається з великого числа частинок, називається макроскопічною системою . Розміри макроскопічних систем значно більше розмірів атомів і молекул. Всі макроскопічні ознаки, що характеризують таку систему і її відношення до навколишніх тіл, називаються макроскопічними параметрами . До їх числа відносяться такі, наприклад, як щільність, об'єм, пружність, концентрація, поляризована, намагніченість і так далі Макроскопічні параметри розділяються на зовнішніх і внутрішніх .

Величини, визначувані положенням не вхідних в нашу систему зовнішніх тіл, називаються зовнішніми параметрами, наприклад напруженість силового поля ( оскільки залежать від положення джерел поля - зарядів і струмів, що не входять в нашу систему ), об'єм системи ( оскільки визначається розташуванням зовнішніх тіл ) і так далі Отже зовнішні параметри є функціями координат зовнішніх тіл. Величини, визначувані сукупним рухом і розподілом в просторі вхідних в систему частинок, називаються внутрішніми параметрами, наприклад енергія, тиск, щільність, намагніченість, поляризована і так далі ( оскільки їх значення залежать від руху і положення частинок системи і вхідних в них зарядів ).

Сукупність незалежних макроскопічних параметрів визначає стан системи, тобто форму її буття. Величини, які не залежать від передісторії системи і повністю визначувані її станом в даний момент (тобто сукупністю незалежних параметрів ), називаються функціями стану.

Стан називається стаціонарним, якщо параметри системи з часом не змінюються.

Якщо крім того, в системі не тільки всі параметри постійні в часі, але і немає ніяких стаціонарних потоків за рахунок дії яких-небудь зовнішніх джерел, то такий стан системи називається рівноважним ( стан термодинамічної рівноваги). Термодинамічними системами зазвичай називають не всякі, а тільки ті макроскопічні системи, які знаходяться в термодинамічній рівновазі. Аналогічно, термодинамічними параметрами називаються ті параметри, які характеризують систему в термодинамічній рівновазі.

Внутрішні параметри системи розділяються на інтенсивних і екстенсивних . Параметри не залежні від маси і числа частинок в системі, називаються інтенсивними ( тиск, температура і ін.) . Параметри пропорційні масі або числу частинок в системі, називаються адитивними або екстенсивними ( енергія, ентропія і ін.). Екстенсивні параметри характеризують систему як ціле, тоді як інтенсивні можуть приймати певні значення в кожній точці системи.

За способом передачі енергії, речовини і інформації між даної системи і навколишнім середовищем термодинамічні системи класифікуються:

1. Замкнута ( ізольована ) система - це система в якій немає обміну із зовнішніми тілами ні енергією, ні речовиною ( у тому числі і випромінюванням ), ні інформацією.

2. Закрита система - система в якій є обмін тільки з енергією.

3. Адіабатна ізольована система - це система в якій є обмін енергією тільки у формі теплоти.

4. Відкрита система - це система, яка обмінюється і енергією, і речовиною, і інформацією.

1.2 НУЛЬОВИЙ ПОЧАТОК ТЕРМОДИНАМІКИ

Нульовий початок термодинаміки сформульований всього біля 50 років назад, по суті є отриманим «заднім числом» логічним виправданням для введення поняття температури фізичних тіл . Температура - одне з найглибших понять термодинаміки . Температура грає таку ж важливу роль в термодинаміці, як, наприклад процеси. Вперше центральне місце у фізиці зайняв абсолютно абстрактне поняття ; воно прийшло на зміну введеному ще в часи Ньютона ( 17 вік) поняттю сили - на перший погляд конкретнішому і «відчутнішому» і до того ж успішно «математезірованому» Ньютоном.

Перший початок термодинаміки встановлює внутрішня енергія системи є однозначна функція її стану і змінюється тільки під впливом зовнішніх дій.

У термодинаміці розглядаються два типи зовнішніх взаємодій: дія, пов'язана із зміною зовнішніх параметрів системи ( система здійснює роботу W ), і дія не пов'язані із зміною зовнішніх параметрів і обумовлені зміною внутрішніх параметрів або температури ( системі повідомляється деяка кількість теплоти Q ).

Тому, згідно першому початку, зміна внутрішній енергії U2-U1 системи при її переході під впливом цих дій з першого стану в друге рівно сумі алгебри Q і W, що для кінцевого процесу запишеться у вигляді рівняння

U2- U1= Q - W або Q = U2- U1+ W (1.1)

Перший початок формується як постулат і є узагальненням великої кількості досвідчених даних.

Для елементарного процесу рівняння першого початку такого :

dQ = dU + W (1.2)d

dQ і dW не є повним диференціалом, оскільки залежать від шляху проходження.

Залежність Q і W від шляху видно на простому прикладі розширення газу. Робота досконала системою під час переходу її із стану 1 в 2 ( мал. 1) по дорозі а зображується площею, обмеженою контуром А1а2ва :

Wа = p(V,T) dV ;