Підручник з Природничих наук. 1 частина. 10 клас. Гільберг - Нова програма

Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.

ХАОС & ПОРЯДОК

Якщо вже згадали про хаос і порядок, то поговоримо про них. Виявляється, є величина, яка їх характеризує — ентропія — міра безладу й характеристика стану. Уведено це поняття було в епоху розвитку термодинаміки. Закон збереження й перетворення енергії стверджує, що кількість енергії за будь-яких її перетворень незмінна, але нічого не говорить про те, які енергетичні перетворення можливі. Однак багато процесів, цілком припустимих з погляду закону збереження енергії, ніколи не відбуваються насправді. Наприклад, нагріте тіло під час поступового охолодження передає свою енергію холоднішим тілам навколо себе. А от обернений процес передавання теплоти від холодного тіла до гарячого самовільно відбуватися не може. Можна навести безліч таких прикладів.

Зазвичай уважають, що внаслідок переходу системи з більш упорядкованого в менш упорядкований стан ентропія збільшується. Що більшою є ентропія, то невпорядкованіша (хаотичніша) система.

Наочно пояснити ентропію можна так. Поки вчитель або вчителька перебуває в навчальному кабінеті, ентропія класу мінімальна. Клас у порядку: усі сидять на місцях, самовільно не розмовляють. Якщо вчитель виходить за межі кабінету, — ентропія класу зростає: учні починають вештатися кабінетом, розмовляти тощо. І що довше система перебуває в безконтрольному стані, то більшим буде безлад (ентропія).

З огляду на таке визначення, зрозуміло, що ентропія зростає в результаті перетворення твердих речовин на рідини, рідин на гази, а також під час розчинення речовин. У всіх цих випадках спостерігають зменшення порядку в розташуванні частинок системи. Навпаки, під час конденсації та кристалізації ентропія речовин зменшується. Прикладом хімічної реакції зі зменшенням ентропії є реакція між газоподібним гідроген хлоридом та амоніаком — із двох «невпорядкованих» початкових речовин утворюється «упорядкований» продукт реакції — твердий амоній хлорид. Обернена реакція, тобто розкладання амоній хлориду на гідроген хлорид та амоніак самочинно не відбуватиметься, вона проходитиме лише за постійного надходження енергії.

Отже, в ізольованій системі загальна зміна ентропії завжди позитивна, тобто необоротні термодинамічні процеси відбуваються в напрямі зростання ентропії. (так ще формулюють другий закон термодинаміки у фізиці).

Основними тенденціями зміни ентропії є:

• в ізольованій системі, у якій проходять оборотні процеси, ентропія зберігає стале значення;

• в ізольованій системі, у якій проходять необоротні процеси, ентропія зростає;

• за термодинамічної рівноваги ентропія прямує до максимального значення.

Зміна ентропії у відкритій системі може відбуватися за рахунок або взаємодії системи з навколишнім середовищем, або зміни ентропії в самій системі.

Якщо в системі відбуваються оборотні процеси, зміна ентропії дорівнює нулю. У реальних системах відбуваються необоротні процеси, унаслідок яких ентропія збільшується. Щоб зменшити ентропію, потрібно піддати систему зовнішній дії та виконати над нею роботу. Наприклад, ентропія в навчальному кабінеті безперервно зростатиме, поки не увійде вчитель або вчителька та не попросить учнівство трохи вгамуватися. Необхідність виконати роботу означає також, що будь-яка система чинитиме опір зменшенню ентропії та наведенню ладу.

Реальні біологічні системи не перебувають у стані рівноваги, оскільки в них відбуваються процеси, супроводжувані переходом частини енергії впорядкованого процесу в енергію невпорядкованого процесу, наприклад, у теплоту або випромінювання.

Кількість теплоти, що віддає тіло, збільшується за рахунок конвекції. Конвекція сприяє втратам тепла за рахунок випромінювання з поверхні шкіри (із зовнішньої частини одягу та деяких відкритих ділянок поверхні тіла). Так, за температури 18 °С людина без одягу за 1 с втрачає 20 кал, а в бавовняному одязі — лише 8 кал.

Оскільки випаровування відбувається з поверхні шкіри та легень, то в середньому за добу людина виділяє з повітрям, що видихає, водяну пару масою близько 350 г; з поверхні шкіри (за 16—18 °С) — піт масою близько 500 г Разом людина втрачає теплоту кількістю 2 МДж. Випаровування поту охолоджує тіло. На поверхні шкіри є величезна кількість потових залоз (на 1 см2 шкіри їх 90; на підошвах ніг і долонях рук — набагато більше).

Потові залози, подібно до кровоносних судин, контрольовані центральною нервовою системою (ЦНС). Якщо температура крові, що надходить у нервові центри, стає вищою за нормальну температуру тіла, то нервові клітини цих центрів збуджуються та посилають накази, що приводять у дію потові залози. Що вища температура навколишнього повітря і воно сухіше, то швидше відбувається випаровування, і, як наслідок, охолодження тіла.

Оскільки жоден організм не є ізольованою системою, бо він з їжею (а рослини й зі світлом) споживає вільну енергію, яку згодом витрачає. Ізольованою можна вважати систему організм — середовище. Усередині такої системи в її «живій» частині, тобто в організмі, вільна енергія може збільшуватися, а ентропія — відповідно зменшуватися, але за сталої умови одночасного зменшення й збільшення їх у неживій частині системи. Так, наприклад, розвиток зелених рослин на Землі відбувається завдяки збільшенню ентропії в системі Сонце—Земля. Відомо, що в стані спокою, під час виконання роботи організм може рости й розвиватися з одночасним виділенням теплоти. Ця теплота є результатом окиснення речовин, що містяться в їжі. Ріст ентропії, що супроводжує цей процес, значно більший від зниження ентропії внаслідок росту організму та диференціювання його клітин.

Цікаво проаналізувати розвиток подій (зростання або зменшення ентропії) у Всесвіті. Як ми щойно з’ясували, будь-яка система, що не обмінюється енергією з іншими системами (для Всесвіту в цілому такий обмін, очевидно, неможливий), прагне до найвірогіднішого рівноважного стану — до стану з максимумом ентропії, за якого теплота рівномірно розподілиться між усіма тілами. А що це означає для Всесвіту? Це означає його «теплову смерть». Усесвіт продовжуватиме існувати, він не зникне, не перетвориться на ніщо, але всі термодинамічні процеси в ньому повністю припиняться.

Висновок про теплову смерть Всесвіту було сформульовано Рудольфом Клаузіусом (1822—1888, Німеччина) у 1865 році. Ані довести, ані спростувати гіпотезу теплової смерті Всесвіту сучасними науковими силами не є можливим, оскільки наші знання про нього все ще мізерно малі, і ми не можемо із цілковитою впевненістю стверджувати, що Всесвіт не перебуває під дією зовнішніх сил, або його можна розглядати як замкнуту термодинамічну систему. Однак саме гіпотеза «теплової смерті» стала першим кроком до усвідомлення можливих варіантів розвитку Всесвіту.



Підтримати сайт і наші Збройні Сили можна за посиланням на Buy Me a Coffee.