Welcher Prozess in der lebendigen Natur ist irreversibel. Bericht über die Irreversibilität von Prozessen in der Natur
Die Eliminierung des „Gesetzes“ der zunehmenden Entropie oder gar des Entropiebegriffs aus der Thermodynamik wird nicht die Prämissen aus der Thermodynamik eliminieren, auf deren Grundlage Konsequenzen gezogen werden können, die dem dialektischen Materialismus widersprechen. Es gibt noch eine andere Position der Thermodynamik, die aus Sicht des dialektischen Materialismus fragwürdig ist – die Behauptung, dass in der Natur vorkommende Nichtgleichgewichtsprozesse irreversibel sind. Gemäß der Definition ist „jeder Prozess, der ein isoliertes System vom Zustand 1 in den Zustand 2 überführt, ein irreversibler Prozess, wenn der Prozess, der das einzige Ergebnis hat, das System vom Zustand 2 in den Zustand 1 zurückzubringen, unmöglich ist“ 3.
Die Annahme der Irreversibilität natürlicher Prozesse, verbunden mit dem Verständnis, dass die Gesamtheit aller natürlichen Prozesse die Bewegung der Materie (des Universums) ist, führt zu der Schlussfolgerung über die irreversible Entwicklung des Universums. Nehmen wir an, dass „es unmöglich ist, den Prozess, bei dem Wärme durch Reibung entsteht, vollständig umzukehren“ 4, dass „es in der Natur keine Prozesse gibt, die nicht von Reibung begleitet sind“ 1 , dann ist die Schlussfolgerung über Konstante Ansammlung im Universum kann Hitze und die Bewegung des Universums in Richtung Hitzetod nicht vermieden werden.
Um die Schlussfolgerung über die irreversible Evolution der Materie zu widerlegen, ist demnach der Beweis erforderlich, dass die Transformationsprozesse von Bewegungsformen und Materie nicht irreversibel sind. Und um die Schlussfolgerung über die zukünftige Umwandlung aller Energieformen in Wärme zu widerlegen, muss die Vorstellung widerlegt werden, dass der Prozess der Wärmeerzeugung durch Reibung irreversibel ist. Dies ist nicht schwer, wenn wir einen Umstand berücksichtigen, der das Wesen der thermodynamischen Irreversibilität betrifft.
"Aus der Tatsache, dass der Prozess selbst nicht in die entgegengesetzte Richtung verläuft, folgt noch nicht, dass er irreversibel ist."
Die Tatsache, dass ein Prozess irreversibel (reversibel) ist, kann nicht offensichtlich sein. Daher wird in den Lehrveranstaltungen der Thermodynamik die Existenz irreversibler Prozesse nachgewiesen. Der Beweis besteht aus zwei Teilen. Erstens beweisen sie die Irreversibilität einer Reihe von Prozessen (Wärmeerzeugung durch Reibung, Gasexpansion ins Leere, Wärmeübergang von einem erwärmten Körper auf einen kalten, Gasvermischung), basierend auf den Postulaten von Clausius oder Thomson-Planck, und dann ziehen sie eine Schlussfolgerung:
"Da es in der Natur tatsächlich keine Prozesse gibt, die nicht aufgrund der Wärmeleitfähigkeit mit Reibung oder Wärmeübertragung einhergehen würden, sind alle natürlichen Prozesse tatsächlich irreversibel ..."
Daraus folgt, dass alle Transformationsprozesse endlicher Bewegungsformen der Materie im Universum direkt irreversibel sind, da es sich um Entwicklungsprozesse handelt. Aber gleichzeitig ändert sich das Universum als Ganzes nicht - das ist die Weltzirkulation.
Abschluss
Lassen Sie uns abschließend einige Schlussfolgerungen zusammenfassen:
Die logischen Grundlagen der Hypothese vom Hitzetod des Universums sind:
Falsche Position über die Unmöglichkeit der vollständigen Umwandlung von Wärme in andere Bewegungsformen;
Die falsche Position über die Unmöglichkeit der Umwandlung von Wärme in andere Bewegungsformen bei konstanter Temperatur und die Notwendigkeit einer Temperaturdifferenz für eine solche Umwandlung;
Falsche Position über den Abbau (Verlust der Fähigkeit zu weiteren Umwandlungen) von Energie in natürlichen Prozessen;
Die falsche Position über die "zweitrangige" Wärme als Energieart, ihre im Vergleich zu anderen Bewegungsformen niedrigere Fähigkeit, sich in andere Bewegungsformen (Energiearten) umzuwandeln;
Die falsche Position über den unvermeidlichen Übergang jedes isolierten Systems zum Gleichgewicht;
Das "Gesetz" der zunehmenden Entropie, das keine Ausnahmen kennt, das keinen Rückschluss auf natürliche Prozesse zulässt, außer dass bei all diesen Prozessen die Entropie zunimmt;
Ein hypothetischer Satz über die Irreversibilität der Transformationsprozesse der in der Natur vorkommenden Bewegungsformen.
Ich möchte auch sagen, dass die Welt, in der wir leben, aus unterschiedlichen Dimensionen besteht offene Systeme, deren Entwicklung nach einem einzigen Algorithmus abläuft. Dieser Algorithmus basiert auf der inhärenten Fähigkeit der Materie zur Selbstorganisation, die sich in kritische Punkte Systeme. Der größte von dem Menschen bekannt Systeme ist ein sich entwickelndes Universum.
Eisenbahnministerium der Russischen Föderation
Fernöstlichen Staatliche Universität Kommunikationswege
Fachbereich "Chemie und Ökologie"
Prüfbericht
Zur Abrechnung und grafischen Arbeiten zum Thema:
Irreversibilität von Prozessen in der Natur und dem Zeitpfeil
Abgeschlossen: Schülergruppe 318
Trofimets A.A.
Vom Lehrer geprüft:
Dryutskaya S. M.
Chabarowsk 2010
1. Einführung 3
2. allgemeine Eigenschaften und der Wortlaut
Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik 4
3. Das Konzept der Entropie 8
4. Der Zeitpfeil 10
5. Fazit 11
6. Referenzen 12
Einführung
Der Energieerhaltungssatz besagt, dass die Energiemenge bei jeder ihrer Umwandlungen unverändert bleibt. Aber er sagt nichts darüber, welche Art von Energieumwandlungen möglich sind. Viele Prozesse, die unter dem Gesichtspunkt des Energieerhaltungssatzes durchaus zulässig sind, finden jedoch nie statt.
Energieerhaltungssatz verbietet nicht Prozesse erlebt passiert nicht:
- Erhitzen eines wärmeren Körpers mit einem kälteren;
Spontanes Schwingen des Pendels aus der Ruhe;
Sand in Stein sammeln usw.
Prozesse in der Natur haben eine bestimmte Richtung. Sie können nicht spontan in die entgegengesetzte Richtung fließen.
Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik als wichtigstes Naturgesetz bestimmt die Richtung, in der thermodynamische Prozesse ablaufen, legt die möglichen Grenzen für die Umwandlung von Wärme in Arbeit in Kreisprozessen fest, ermöglicht eine strenge Definition von Begriffen wie Entropie , Temperatur usw.
Allgemeine Eigenschaften und Formulierung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik
Natürliche Prozesse sind immer auf das Erreichen eines Gleichgewichtszustandes durch das System (mechanisch, thermisch oder beliebig) ausgerichtet. Dieses Phänomen spiegelt sich im zweiten Hauptsatz der Thermodynamik wider, der sehr wichtig und den Betrieb von Wärme- und Kraftmaschinen zu analysieren. Nach diesem Gesetz kann beispielsweise Wärme spontan nur von einem Körper mit einer höheren Temperatur zu einem Körper mit einer niedrigeren Temperatur übergehen. Um den umgekehrten Vorgang durchzuführen, muss etwas Arbeit aufgewendet werden. In diesem Zusammenhang lässt sich der zweite Hauptsatz der Thermodynamik wie folgt formulieren: ein Prozess, bei dem Wärme spontan von kälteren Körpern auf wärmere Körper übergeht, ist unmöglich(Postulat von Clausius, 1850).
Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik bestimmt auch die Bedingungen, unter denen Wärme beliebig lange in Arbeit umgewandelt werden kann. In jedem offenen thermodynamischen Prozess wird mit einer Volumenzunahme positive Arbeit geleistet:
Wo ich der letzte Job bin,
V1 und v2 - das anfängliche und das endgültige spezifische Volumen;
Der Expansionsprozess kann jedoch nicht unbegrenzt fortgesetzt werden, daher ist die Möglichkeit, Wärme in Arbeit umzuwandeln, begrenzt.
Eine kontinuierliche Umwandlung von Wärme in Arbeit erfolgt nur in einem Kreisprozess oder Kreislauf.
Jeder im Kreislauf enthaltene Elementarprozess wird unter Wärmezufuhr oder Wärmeabfuhr durchgeführt dQ, begleitet von der Leistung oder dem Arbeitsaufwand, einer Zunahme oder Abnahme der inneren Energie, aber immer dann, wenn die Bedingung dQ = dU + dL und dq = du + dl, was zeigt, dass ohne Wärmezufuhr ( dq = 0) externe Arbeit kann nur aufgrund der inneren Energie des Systems geleistet werden, und die Wärmezufuhr zum thermodynamischen System wird durch den thermodynamischen Prozess bestimmt. Die Closed-Loop-Integration bietet:
/>, /> seit />.
Hier QC und LC- bzw. die im Kreislauf in Arbeit umgewandelte Wärme und die vom Arbeitsfluid geleistete Arbeit, das ist die Differenz | L1 | - |L2 | positive und negative Werke elementarer Zyklusprozesse.
Eine elementare Wärmemenge kann als zugeführt angesehen werden (dQ> 0) und zurückgezogen (dQ aus dem Arbeitsmedium. Die Summe der zugeführten Wärme im Kreislauf | Q1 | und die Summe der abgeführten Wärme | Q2 |. Daher gilt
LC= QC= | Q1 | - | Q2 |.
Die Zufuhr der Wärmemenge Q1 zum Arbeitsfluid ist in Gegenwart einer externen Quelle mit einer Temperatur höher als die Temperatur des Arbeitsfluids möglich. Diese Wärmequelle wird heiß genannt. Eine Abfuhr der Wärmemenge Q2 aus dem Arbeitsfluid ist auch in Gegenwart einer externen Wärmequelle möglich, jedoch mit einer Temperatur niedriger als die Temperatur des Arbeitsfluids. Diese Wärmequelle wird als Kälte bezeichnet. Um den Zyklus zu vervollständigen, sind daher zwei Wärmequellen erforderlich: eine mit hoher Temperatur, die andere mit niedriger Temperatur. In diesem Fall kann nicht die gesamte verbrauchte Wärmemenge Q1 in Arbeit umgewandelt werden, da die Wärmemenge Q2 an eine Kältequelle abgegeben wird.
Die Betriebsbedingungen einer Wärmekraftmaschine sind wie folgt:
Der Bedarf an zwei Wärmequellen (heiß und kalt);
Zyklischer Betrieb des Motors;
Übertragung eines Teils der Wärmemenge von einer heißen Quelle auf eine kalte, ohne sie in Arbeit umzuwandeln.
In diesem Zusammenhang können dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik mehrere weitere Formulierungen gegeben werden:
Wärmeübertragung von einer kalten Quelle auf eine heiße Quelle ist ohne Arbeitskosten nicht möglich;
es ist unmöglich, eine periodisch arbeitende Maschine zu bauen, die Arbeit verrichtet, und dementsprechend einen kühlenden Wärmespeicher;
Die Natur neigt dazu, sich von weniger wahrscheinlichen Zuständen zu wahrscheinlicheren zu bewegen.
Es sollte betont werden, dass der zweite Hauptsatz der Thermodynamik (wie auch der erste) auf der Grundlage von Erfahrungen formuliert wird.
In den meisten Gesamtansicht Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik lässt sich wie folgt formulieren: jeder wirkliche spontane Prozess ist irreversibel. Alle anderen Formulierungen des zweiten Hauptsatzes sind Spezialfälle der allgemeinsten Formulierung.
W. Thomson (Lord Kelvin) schlug 1851 die folgende Formulierung vor: es ist unmöglich, mit Hilfe eines unbelebten materiellen Mittels aus einer Masse von Materie mechanische Arbeit zu erzielen, indem sie unter die Temperatur des kältesten der umgebenden Objekte abgekühlt wird.
M. Plank schlug eine Formulierung vor, die klarer war als die von Thomson: es ist unmöglich, eine periodisch arbeitende Maschine zu bauen, deren gesamte Wirkung auf das Konzept einer bestimmten Last und der Kühlung einer Wärmequelle reduziert würde. Unter einer periodisch arbeitenden Maschine ist ein Motor zu verstehen, der kontinuierlich (in einem Kreisprozess) Wärme in Arbeit umwandelt. In der Tat, wenn es möglich wäre, eine Wärmekraftmaschine zu bauen, die einfach Wärme aus einer Quelle nimmt und sie kontinuierlich (zyklisch) in Arbeit umwandelt, dann würde dies der These widersprechen, dass das System nur Arbeit leisten kann, wenn kein Gleichgewicht herrscht ( insbesondere in Bezug auf eine Wärmekraftmaschine - wenn ein Temperaturunterschied zwischen heißen und kalten Quellen im System besteht).
Gäbe es keine Beschränkungen durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, würde dies bedeuten, dass es möglich wäre, eine Wärmekraftmaschine mit nur einer Wärmequelle zu bauen. Ein solcher Motor könnte beispielsweise durch Kühlen von Wasser im Ozean betrieben werden. Dieser Prozess konnte so lange fortgesetzt werden, bis die gesamte innere Energie des Ozeans in Arbeit umgewandelt wurde. Die so funktionierende Wärmekraftmaschine wurde von W.F. Ostwald . treffend benannt Perpetuum Mobile der zweiten Art (im Gegensatz zu einem Perpetuum mobile der ersten Art, das gegen den Energieerhaltungssatz arbeitet). Entsprechend dem oben Gesagten kann die Formulierung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik von Planck wie folgt modifiziert werden: die Realisierung eines Perpetuum mobile der zweiten Art ist unmöglich.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Existenz eines Perpetuum mobile der zweiten Art dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik nicht widerspricht; Tatsächlich würde bei diesem Motor Arbeit nicht aus dem Nichts verrichtet, sondern aufgrund der in einer Wärmequelle enthaltenen inneren Energie, so dass von der quantitativen Seite her der Prozess der Gewinnung von Arbeit aus Wärme in dieser Fall wäre nicht undurchführbar. Die Existenz eines solchen Motors ist jedoch vom Standpunkt des qualitativen Aspekts des Prozesses der Wärmeübertragung zwischen Körpern unmöglich.
Entropie-Konzept
Die Diskrepanz zwischen der Umwandlung von Wärme in Arbeit und Arbeit in Wärme führt zu einer einseitigen Orientierung realer Prozesse in der Natur, die physikalische Bedeutung der zweite Hauptsatz der Thermodynamik im Gesetz der Existenz und Zunahme in realen Prozessen einer bestimmten Funktion genannt Entropie
bestimmend ein Maß für den Energieverlust.
Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik wird oft als einheitliches Prinzip der Existenz und Zunahme von Entropie dargestellt.
Das Prinzip der Existenz der Entropie ist als mathematischer Ausdruck der Entropie thermodynamischer Systeme unter Bedingungen eines reversiblen Prozessflusses formuliert:
Das Prinzip der zunehmenden Entropie reduziert sich auf die Aussage, dass die Entropie isolierter Systeme bei jeder Zustandsänderung unweigerlich zunimmt und nur bei einem reversiblen Prozessfluss konstant bleibt:
Beide Schlussfolgerungen über die Existenz und Zunahme der Entropie werden auf der Grundlage eines Postulats gezogen, das die Irreversibilität realer Prozesse in der Natur widerspiegelt. Am häufigsten werden beim Beweis des kombinierten Prinzips von Existenz und Entropiezunahme die Postulate von R. Clausius, W. Thompson-Kelvin, M. Planck verwendet.
In Wirklichkeit haben die Prinzipien der Existenz und des Wachstums der Entropie nichts gemeinsam. Physikalischer Inhalt: Das Prinzip der Existenz der Entropie charakterisiert die thermodynamischen Eigenschaften von Systemen, und das Prinzip der zunehmenden Entropie ist der wahrscheinlichste Verlauf realer Prozesse. Der mathematische Ausdruck des Prinzips der Existenz der Entropie ist Gleichheit, und das Prinzip der Zunahme ist Ungleichheit. Anwendungsgebiete: Das Prinzip der Existenz von Entropie und die daraus resultierenden Konsequenzen werden zur Untersuchung verwendet physikalische Eigenschaften Substanzen und das Prinzip der Entropieerhöhung - zur Beurteilung des wahrscheinlichsten Verlaufs physikalischer Phänomene. Auch die philosophische Bedeutung dieser Prinzipien ist unterschiedlich.
In diesem Zusammenhang werden die Prinzipien der Existenz und Zunahme der Entropie getrennt betrachtet und ihre mathematischen Ausdrücke für beliebige Körper auf der Grundlage verschiedener Postulate erhalten.
Die Schlussfolgerung über die Existenz der absoluten Temperatur T und der Entropie s als thermodynamische Funktionen des Zustands beliebiger Körper und Systeme ist der Hauptinhalt des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik und gilt für alle Prozesse - reversibel und irreversibel.
Pfeil der Zeit
In allen Prozessen gibt es eine bestimmte Richtung, in der die Prozesse von selbst von einem geordneteren in einen weniger geordneten Zustand übergehen.
Je mehr Ordnung das System hat, desto schwieriger ist es, es aus der Unordnung wiederherzustellen. Es ist unvergleichlich einfacher, Glas zu zerbrechen, als ein neues zu machen und es in einen Rahmen zu legen. Es ist viel einfacher, ein Lebewesen zu töten, als es nach Möglichkeit wieder zum Leben zu erwecken. „Gott hat einen kleinen Fehler geschaffen. Wenn Sie sie zerquetschen, wird sie sterben “, so ein Epigraph hat der amerikanische Biochemiker Saint Györgyi zu seinem Buch „Bioenergetics“ geschrieben.
Die von uns wahrgenommene hervorgehobene Zeitrichtung ("Zeitpfeil") hängt offensichtlich gerade mit der Richtung der Prozesse in der Welt zusammen.
Abschluss
Aufgrund der Tatsache, dass eine kontinuierliche Produktion von Arbeit aus Wärme nur möglich ist, wenn ein Teil der Wärme einer heißen Quelle auf eine kalte Quelle übertragen wird, ist ein wichtiges Merkmal thermischer Prozesse hervorzuheben: mechanische Arbeit, elektrische Arbeit, magnetische Arbeit usw. rückstandsfrei in Wärme umgewandelt werden. Von der Wärme kann nur ein Teil in einem sich periodisch wiederholenden Prozess in mechanische und andere Arten von Arbeit umgewandelt werden; ein anderer Teil davon muss unweigerlich an eine Kältequelle überführt werden. Dies die wichtigste Funktion thermische Prozesse bestimmt die besondere Stellung, die der Prozess der Gewinnung von Arbeit aus der Wärme anderer Methoden zur Gewinnung von Arbeit einnimmt (z mechanische Arbeit auf Kosten der kinetische Energie Körper, Stromerzeugung durch mechanische Arbeit, Produktion von Arbeit Magnetfeld wegen Strom usw.). Bei jedem dieser Umwandlungsverfahren muss ein Teil der Energie für unvermeidbare irreversible Verluste wie Reibung, elektrischer Widerstand, magnetische Viskosität usw. bei der Umwandlung in Wärme aufgewendet werden.
Referenzliste:
G. Ja. Myakishev, A.Z. Sinjakow. Molekularphysik und Thermodynamik. Lehrbuch für Fortgeschrittene Physik, 2002
Kirillin V. A. ua Technische Thermodynamik: Lehrbuch für Universitäten - 4. Aufl., überarbeitet. - M.: Energoatomizdat, 1983.
Grundlagen der Wärmetechnik / V.S. Okhotin, V. F. Zhidkikh, V. M. Lavygin und andere - M .: Handelshochschule, 1984.
Porshakov B.P., Romanov B.A. Grundlagen der Thermodynamik und Wärmetechnik), Moskau: Nedra, 1988.
Wärmetechnik / hg. IN UND. Krutov.-M.: Maschinenbau, 1986
Wärmeenergietechnik und Wärmetechnik. Allgemeine Fragen (Nachschlagewerk) .- M.: Energiya, 1980.
Das Energieerhaltungsgesetz besagt, dass Energie in der Natur nicht aus dem Nichts entsteht und nicht spurlos verschwindet, die Energiemenge unverändert bleibt und nur von einer Form in eine andere übergeht. Darüber hinaus treten in der Natur einige Prozesse, die dem Energieerhaltungssatz nicht widersprechen, nie auf.
Objekte mit höherer Temperatur kühlen ab und geben gleichzeitig ihre Energie an kältere Umgebungskörper ab. Aber der umgekehrte Vorgang findet in der Natur nie statt: spontane Wärmeübertragung von einem kalten Körper auf einen wärmeren, obwohl dies dem Energieerhaltungssatz nicht widerspricht. Zum Beispiel wurde ein Wasserkocher mit kochendem Wasser auf den Tisch gestellt. Beim allmählichen Abkühlen gibt der Wasserkocher einen Teil seiner inneren Energie an die Raumluft ab. Dadurch erwärmt sich die Luft. Dieser Vorgang wird nur so lange fortgesetzt, bis die Temperaturen des Wasserkochers und der Luft im Raum gleich sind. Danach gibt es keine Temperaturänderungen mehr.
Ein anderes Beispiel. Schwingungen der Schaukel, aus der Gleichgewichtslage herausgenommen, dämpfen, wenn sie nicht geschaukelt werden. Die mechanische Energie der Schaukel nimmt aufgrund der negativen Arbeit der Luftwiderstandskraft ab und die innere Energie der Schaukel und der Umgebung nimmt zu. Eine Abnahme der mechanischen Energie ist gleich einer Zunahme der inneren Energie. Der Energieerhaltungssatz schließt den gegenteiligen Vorgang nicht aus: die Umwandlung der inneren Energie der Luft und der Schwingung in die mechanische Energie der Schwingung. Dann würde die Schwingungsamplitude der Schwingung aufgrund einer Abnahme der Temperatur der Umgebung und der Schwingung selbst zunehmen. Aber dieser Prozess findet nie statt. Innere Energie wird nie zu innerer Energie. Die Energie der geordneten Bewegung des Körpers als Ganzes wird immer in die Energie der ungeordneten thermischen Bewegung seiner Molekülbestandteile umgewandelt, aber nicht umgekehrt.
Unter dem Einfluss äußerer Kräfte kann der Stein schließlich zu Sand zerfallen, aber der Sand wird sich ohne äußere Einflüsse nie im Stein „ansammeln“.
Der Energieübergang von einem heißen Körper in einen kalten, die Umwandlung mechanischer Energie in eine innere, die Zerstörung von Körpern im Laufe der Zeit sind Beispiele für irreversible Prozesse. Irreversibel sind solche Prozesse, die ohne äußere Einflüsse nur in eine bestimmte Richtung verlaufen; in die entgegengesetzte Richtung können sie nur als ein Glied in einem komplexeren Prozess vorgehen. Sie können die Temperatur des gekühlten Wasserkochers und des darin befindlichen Wassers erneut erhöhen, jedoch nicht aufgrund der inneren Energie der Luft, sondern indem Sie ihm Energie von äußeren Körpern, beispielsweise vom Brenner eines Elektroherds, übertragen. Sie können die Amplitude des Schwungs noch einmal erhöhen, indem Sie ihn mit den Händen drücken. Sie können Sand schmelzen und wenn er gefroren ist, wird er zu Stein. All diese Veränderungen können jedoch nicht spontan auftreten, sondern werden durch einen zusätzlichen Prozess, einschließlich des Einflusses einer äußeren Kraft, möglich.
Es gibt viele solcher Beispiele. Alle sagen, dass der erste Hauptsatz der Thermodynamik eine bestimmte Richtung von Prozessen in der Natur nicht berücksichtigt. Alle makroskopischen Prozesse in der Natur verlaufen nur in eine bestimmte Richtung. Sie können nicht von selbst in die entgegengesetzte Richtung fließen. Alle Prozesse in der Natur sind irreversibel, und die tragischsten sind Alterung und Tod von Organismen.
Das Konzept der Irreversibilität von Prozessen ist Inhalt des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik, der die Richtung der Energieumwandlungen in der Natur angibt. Dieses Gesetz wurde durch direkte Verallgemeinerung experimenteller Tatsachen aufgestellt. Es hat mehrere gleichwertige Formulierungen, die trotz ihrer oberflächlichen Unterschiede im Wesentlichen dasselbe ausdrücken. Der deutsche Wissenschaftler Rudolf Clausius formulierte 1850 den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik wie folgt: Es ist unmöglich, Wärme von einem kälteren System in ein heißeres zu übertragen, wenn keine anderen gleichzeitigen Veränderungen in beiden Systemen oder in umgebenden Körpern vorliegen.
Unabhängig von Claesius kam 1851 der britische Physiker William Thomson (Lord Calvin) zu dem gleichen Schluss: "Ein Kreisprozess ist unmöglich, dessen einziges Ergebnis die Produktion von Arbeit durch Kühlung eines Wärmespeichers wäre."
Aus den obigen Formulierungen folgt, dass, wenn der Prozess der Energieübertragung von einem kalten Körper auf einen heißen durchgeführt wird, bestimmte Veränderungen in den umgebenden Körpern auftreten. Insbesondere findet ein solcher Vorgang in einem Kühlaggregat statt: Energie wird von der Kühlkammer in eine Umgebung mit einer höheren Temperatur übertragen, aber dieser Vorgang wird durchgeführt, wenn am Arbeitsmedium gearbeitet wird, und gleichzeitig treten bestimmte Veränderungen auf in Umgebung.
Die Bedeutung dieses Gesetzes liegt vor allem darin, dass die Irreversibilität vom Wärmeübertragungsprozess auf alle in der Natur vorkommenden Prozesse ausgedehnt werden kann. Wenn Wärme in manchen Fällen spontan von kalten Körpern auf heiße übergehen könnte, dann könnten andere Prozesse reversibel gemacht werden.
Alle Prozesse verlaufen spontan in eine bestimmte Richtung. Sie sind irreversibel. Jedenfalls geht Wärme von einem heißen Körper zu einem kalten über, und die mechanische Energie makroskopischer Körper geht in die innere Energie ihrer Moleküle über.
Die Richtung von Prozessen in der Natur wird mit dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik bestimmt.
Was ist hier los? In dem Wunsch zu überzeugen! Solche Methoden haben nichts mit Wissenschaft zu tun!
Die moderne Wissenschaft, die sich nach ihren objektiven Gesetzen entwickelt, hat enorme Ergebnisse erzielt, wie die Errungenschaften der Technik beweisen. Die angewandte Wissenschaft basiert auf der Grundlagenwissenschaft, die ihrerseits ihre Fähigkeiten durch die Schaffung und Einführung neuer, fortschrittlicherer Instrumente und sogar Forschungsmethoden erweitert. Dies ist eine objektive Realität. Aber man kann nicht umhin zu verstehen, dass die Möglichkeiten der Wissenschaft, die Welt zu verstehen, begrenzt sind, wie bereits erwähnt. Und jede Überschreitung führt zu Fehlern. Leider ist der Überzeugungsdrang in manchen Fällen stärker als die wissenschaftliche Glaubwürdigkeit. Das Astronomie-Lehrbuch ist ein Paradebeispiel für eine bunte Mischung aus wissenschaftliche Fakten und „mutige Hypothesen“.
Galileo Galilei
Galileo Galilei wurde am 15. Februar 1564 in Pisa in eine verarmte Adelsfamilie geboren und starb am 3. Januar 1642 in Arcetri. Er wurde in Florenz neben Michelangelo Buanarotti und Dante Alighieri beigesetzt. Wissenschaftler müssen geboren werden, Wissenschaft für großartige Menschen zu machen ist kein Beruf, sondern eine Lebenseinstellung. Daher die Worte von Vincenzo Viviani (1622 - 1703), einem Schüler von Galileo, dass Galilei das Gesetz der Konstanz der Schwingperiode eines Pendels entdeckte, indem er das Schwingen einer Ikonenlampe im Dom von Pisa beobachtete und die Zeit durch die seines eigenen Pulsschlags, sind zweifellos wahr (obwohl Skeptiker dies für eine Legende halten).
Der Vater des zukünftigen Wissenschaftlers war ein bekannter Musiktheoretiker und Mathematiker. Als Jugendlicher lernte Galilei an einer Klosterschule in Florenz erstmals die Werke griechischer und lateinischer Autoren kennen. 1581 begann Galilei ein Medizinstudium an der Universität von Pisa. Dort studiert er selbstständig die Physik des Aristoteles, die Werke von Euklid und Archimedes. Bereits 1589 wurde er als Professor an die Universität von Pisa berufen und manifestierte sofort die Unabhängigkeit seines Denkens. In der lateinischen Abhandlung "Über die Bewegung" widerlegt er die in der Wissenschaft vorherrschende Meinung des Aristoteles über die Leere und über die Theorie der luftgestützten Bewegung. Wenn die Umgebung, in der sich die Körper bewegen, nicht Luft, sondern Wasser ist, schreibt Galileo, dann werden manche Körper, zum Beispiel ein Baum, leicht und ändern ihre Bewegungsrichtung. Ob sie sich nach oben oder unten bewegen, hängt folglich von ihrem spezifischen Gewicht im Verhältnis zur Umgebung ab. Darüber hinaus bewies Galilei in Anwesenheit der Schüler des Aristoteles (Peripatetik) mit großer Feierlichkeit in Experimenten am Schiefen Turm von Pisa, dass die Geschwindigkeit fallender Körper nicht von ihrem Gewicht abhängt. Diese Experimente wurden "klassisch" und wurden von vielen Naturforschern wiederholt: D.B. Bagliani, V. Ranieri, etc. Die Erfindung der "bilanchetta" - hydraulische Waage zur Messung der Dichte gehört zur Pisa-Zeit Feststoffe, und das Studium der Schwerpunkte, die Galileo den Ruhm eines erfahrenen Geometers einbrachten. Aber wie so oft im Leben führte dies zu einer unfreundlichen Haltung gegenüber dem Wissenschaftler, so dass er begann, nach einem bequemeren Ort für sich zu suchen.
1592 wurde Galilei zum Professor für Mathematik an der Universität Padua befördert, wo er 18 Jahre blieb; diese Jahre waren die ruhigsten und produktivsten in seinem turbulenten Leben. Galilei hielt Vorlesungen über Geometrie, Astronomie, Mechanik für Theologen, Philosophen und Ärzte. Während dieser Zeit wurde eine Abhandlung "Über die mechanische Wissenschaft und die Vorteile, die aus mechanischen Werkzeugen gewonnen werden können" erstellt. Auch der Versuch mit einem Thermoskop, dem Prototyp eines Thermometers, gehört in diese Zeit. Vor Galileo schien die bloße Möglichkeit, den Grad von Wärme und Kälte zu messen, unglaublich, da Kälte und Wärme unterschiedliche Eigenschaften zu sein schienen, die in der Materie vermischt waren.
Die Aufteilung der Eigenschaften in primäre und sekundäre Eigenschaften ist ein charakteristisches Merkmal der wissenschaftlichen Position Galileis, für die er kritisiert wurde und ihm philosophischen Dualismus vorwarf. Demokrit, den Galilei in seinen Werken zitierte, vertrat eine ähnliche Position.
Ende 1608 Anfang 1609 verbreiteten sich in Venedig Gerüchte über die Erfindung des Teleskops. Galilei hatte zu dieser Zeit auf dem Gebiet der Optik nur eine geringe Ausbildung, dennoch nahm er die Herstellung dieses Instruments auf. Die Begabung und Beobachtung des Wissenschaftlers (Besuch der Glaswerkstätten seines Freundes Magagnati in Murano) ermöglichte Galileo auch auf diesem Gebiet Erfolge zu erzielen, und er berichtete davon im "Star Bulletin". Zweifellos hat die Erfindung des Teleskops durch Galileo (obwohl seine anfängliche Zunahme 3 und dann 32 betrug) die Möglichkeiten, die Welt um ihn herum zu studieren, enorm erweitert. Galileo entdeckte in den Wolken der Milchstraße einen Sternhaufen, der zuvor wie kleine milchige Flecken aussah. Anschließend untersuchte er die Oberflächen von Mond und Sonne (entdeckte Sonnenflecken, bewies, dass sich die Sonne um ihre Achse dreht), entdeckte Satelliten in der Nähe von Jupiter und Phasen in der Nähe der Venus, erklärte das "Aschelicht" des Mondes, zeigte, dass der Mond, Die Erde und alle Planeten leuchten mit reflektiertem Licht ... Darüber hinaus wurde Galilei von der Wahrheit des heliozentrischen Systems der kopernikanischen Welt überzeugt.
Der durchschlagende Ruhm, den sein "Sternbote" Galilei einbrachte, erlaubte ihm, die Stelle des ersten Mathematikers der Universität von Pisa einzunehmen, ohne dort leben und Vorlesungen halten zu müssen. Daher ließ sich Galilei in Arcetri bei Florenz nieder. Dort setzte er seine astronomischen Beobachtungen und physikalischen Forschungen fort. Dass Luft Gewicht hat, wurde auf verschiedene Weise gezeigt (dies wurde auch von Aristoteles argumentiert, aber seine Kommentatoren hielten es für notwendig, diese Meinung zu korrigieren!). Galileo ermittelte das Verhältnis des spezifischen Gewichts von Luft zum spezifischen Gewicht von Wasser 1:400. Seine zeitgenössischen Kritiker fanden die experimentelle Kunst des Wissenschaftlers sehr unbedeutend, und uns erscheint diese Genauigkeit angesichts der experimentellen Möglichkeiten dieser Zeit bemerkenswert. Einen genaueren Wert erhielt Boyle ein halbes Jahrhundert später, der zu diesem Zeitpunkt bereits über eine pneumatische Pumpe verfügte.
1632 wurde in Florenz das berühmte Werk Galileis "Dialog über die beiden Hauptsysteme der Welt - Ptolemäer und Kopernikus" veröffentlicht. Dieses Stück besteht aus vier Dialogen, von denen jeder als innerhalb eines Tages aufgetreten betrachtet wird. An dem Dialog nehmen drei Personen teil, von denen einer Galilei selbst repräsentiert, der andere (peripatetisch) die Philosophie der Anhänger des Aristoteles verteidigt, der dritte ist ein aufgeklärter Mensch mit gesunder Menschenverstand, der sozusagen ein unparteiischer Richter ist. "Day One" widmet sich hauptsächlich der Diskussion der Lehre von der Unveränderlichkeit und Unbestechlichkeit der himmlischen Welt, insbesondere der Sonnenflecken, der gebirgigen Oberfläche des Mondes. Gleichzeitig bestreitet der zweite Gesprächspartner alle wissenschaftlichen Errungenschaften und Entdeckungen. „Day Two“ ist hauptsächlich der Diskussion des Themas der Erdbewegung gewidmet. Hier werden die Grundlagen der modernen Dynamik gelegt: das Trägheitsprinzip und das klassische Relativitätsprinzip. Das Trägheitsprinzip wird mit Argumenten bewiesen, die an den Beweis "durch Widerspruch" in der Mathematik erinnern. Galileis Relativitätsprinzip (oder Galileis Transformationen) hat seine enorme Bedeutung in unserer Zeit nicht verloren und nimmt einen festen und ehrenvollen Platz in der klassischen Physik ein. „Der große Wissenschaftler beschreibt sein Prinzip langsam und detailliert: Ziehen Sie sich mit einem Ihrer Freunde in einen geräumigen Raum unter dem Deck des Schiffes zurück, decken Sie sich mit Fliegen, Schmetterlingen und anderen Fluginsekten ein, geben Sie ein Schiff mit schwimmenden Fischen; Hängen Sie oben einen Eimer auf, aus dem das Wasser tropfenweise in ein anderes Gefäß mit schmalem Hals tropft, das unten platziert ist. Während das Schiff steht, beobachten Sie aufmerksam! ... obwohl Sie keinen Zweifel daran haben, dass das Schiff stationär ist. Lassen Sie das Schiff nun mit beliebiger Geschwindigkeit fahren (nur ohne Ruckeln und Schwanken), so wie die Fische gleichgültig in jede Richtung schwimmen, Insekten mit der gleichen Geschwindigkeit in verschiedene Richtungen fliegen, Tropfen wie zuvor in ein enges Loch fallen ! Bei all diesen Phänomenen werden Sie nicht die geringste Veränderung feststellen! Und der Grund für die Konsistenz all dieser Phänomene ist, dass die Bewegung des Schiffes allen Objekten darin gemeinsam ist ... ". Es könnte nicht besser sein! Moderne Sprache Prägnanter und in die Sprache der Mathematik „übersetzt“: Das Relativitätsprinzip bedeutet die Invarianz der Gesetze der Mechanik gegenüber Galileis Transformationen, doch die gemächliche „Musik“ des Originals verblüfft auch heute noch.
"Tag Drei" beginnt mit einer längeren Diskussion über den neuen Stern von 1604. Dann geht es weiter zu Hauptthema- über die jährliche Bewegung der Erde. Beobachtungen der Bewegung von Planeten, Phasen der Venus, Satelliten des Jupiter, Sonnenflecken - all diese Argumente ermöglichen es Galilei, die Diskrepanz zwischen den Lehren des Aristoteles und den Daten astronomischer Beobachtungen aufzuzeigen und die Möglichkeit eines heliozentrischen Weltsystems zu begründen eine geometrische und dynamische Sichtweise.
"Day Four" ist der Ebbe und Flut des Meeres gewidmet, die Galilei fälschlicherweise mit der Bewegung der Erde in Verbindung bringt, obwohl es zu dieser Zeit bereits eine Hypothese über das Auftreten von Ebbe und Flut unter dem Einfluss von Mond und Mond gab Sonne. In diesem Fall hielt der Wissenschaftler die Wirkung von Mond und Sonne für eine "okkulte Eigenschaft der Anziehung von Himmelskörpern" und teilte sie nicht.
Die Veröffentlichung von Dialogue - die Quelle des Unglücks seines gesamten nachfolgenden Lebens - ist ein bedeutendes Ereignis in der Geschichte des gesamten menschlichen Denkens. Der Kampf der Weltanschauungen ist ein Kampf auf Leben und Tod!
Das nächste große Werk "Gespräche und mathematische Beweise über zwei neue Wissenschaftszweige in Bezug auf Mechanik und lokale Bewegung", das Galileo selbst zu Recht als Meisterwerk bezeichnete, wurde 1638 in Leiden veröffentlicht. Es bot eine systematische Darstellung aller Entdeckungen Galileis auf diesem Gebiet der Mechanik... Die Arbeit ist auch in Form eines Dialogs zwischen denselben Teilnehmern geschrieben. Aber der allgemeine Ton des Werkes ist ruhiger, als gäbe es keine Gegner mehr - Anhänger der Ideen von Aristoteles und eine neue Weltanschauung hätte gesiegt.
Der erste Tag beginnt mit einer Diskussion über die Lichtgeschwindigkeit. Tatsächlich wurde die in dieser Arbeit beschriebene Erfahrung von Fizeau nach 250 Jahren wiederholt. Galilei war damals nicht in der Lage, dieses komplexe Experiment durchzuführen, aber sein Verdienst bei der Formulierung dieses experimentellen und theoretischen Problems ist unbestritten. Weiterhin werden Bewegungsprobleme betrachtet, Pendelschwingungen untersucht und akustische Phänomene diskutiert: die Erzeugung von Schall durch Schwingungen, deren Frequenz die Tonhöhe bestimmt, Wellenausbreitung in Luft, das Phänomen der Resonanz und akustische Intervalle. Damit legte Galileo den Grundstein für die moderne Akustik.
„Day Two“ widmet sich der Widerstandsfähigkeit von Materialien unter verschiedenen Aufprallmethoden. Und obwohl diese Argumente derzeit keine praktische Anwendung finden, ist ihr wissenschaftlicher Wert als Prototyp der Festigkeitslehre unbestritten. Die nächste Etappe, die in den dritten und vierten Tag übergeht, ist die Dynamik. Der Satz „über das älteste Thema schaffen wir die neueste Wissenschaft“ klingt feierlich. Gleichmäßige Bewegung wird kurz betrachtet, beschleunigte Bewegung wird detailliert und auf interessante Weise untersucht. Die Proportionalitätsgesetze der Fallgeschwindigkeit und Fallzeit werden berücksichtigt und das Prinzip (später Torricelli-Prinzip genannt) über die Bewegung des Schwerpunkts eines mechanischen Systems formuliert. Außerdem originelle Arbeiten zur Bewegung von Körpern entlang schiefe Ebene und über die Bewegung "verlassener" Körper. Es wird zum ersten Mal gezeigt, dass in diesem Fall die Bewegungsbahn eine Parabel ist, und es werden eine Reihe von Sätzen bewiesen.
Die bisher angewandte chronologische Darstellungsweise hat es ermöglicht, die Tiefe und Breite der wissenschaftlichen Interessen und grundlegenden Entdeckungen Galileis aufzuzeigen. Aber vielleicht noch wichtiger ist die neue Denkweise, die Galilei in das Studium der Natur einführte.
Wenn man sagt, Galilei sei der Begründer der experimentellen Methode, dann ist dies nicht nur als die Nutzung des Experiments zur Naturerkenntnis zu verstehen (in grober Form werden Experimente seit der Antike inszeniert), sondern als eine Art philosophische Konzept, das in der Unparteilichkeit der Bewertungen und der obligatorischen Überprüfung des Wahrheitsgehalts des Ergebnisses besteht. Das ist das, was wir heute wissenschaftliche Zuverlässigkeit und wissenschaftliche Gewissenhaftigkeit (vom Wort Gewissen) nennen.
Die Aufgabe des Physikers besteht also darin, ein Experiment zu erfinden, es mehrmals zu wiederholen, den Einfluss von Störfaktoren auszuschließen oder zu reduzieren, Ungenauigkeiten zu erfassen (da die Genauigkeit eines jeden Experiments von seiner Methodik abhängt und es keine "absolut" genaue Ergebnisse) experimentelle Daten mathematische Gesetze, verbindende Größen, die das Phänomen charakterisieren, sorgen für neue Experimente, um - im Rahmen der experimentellen Möglichkeiten - die formulierten Gesetze zu bestätigen, und nachdem sie eine Bestätigung gefunden haben, gehen Sie mit Hilfe der deduktiven Methode weiter und finden Sie neue Konsequenzen aus diesen Gesetzen, die wiederum einer Überprüfung unterliegen. (Einige Philosophen, rein theoretisch, haben experimentelle Methoden entwickelt, denen noch kein Physiker gefolgt ist.)
Galilei gibt nirgendwo eine abstrakte Darstellung seiner experimentellen Methode. Dieser gesamte Ansatz wird in einer spezifischen Anwendung auf das Studium bestimmter Naturphänomene gegeben. In all seinen Forschungen lassen sich vier Punkte unterscheiden. Die erste ist die Sinneserfahrung, die unsere Aufmerksamkeit auf das Studium der Natur lenkt, aber ihre Gesetze nicht aufstellt. Die zweite ist ein Axiom oder eine Arbeitshypothese. Das zentrale Moment ist dabei das Moment des schöpferischen Begreifens des Gesehenen, ähnlich der Intuition eines Künstlers, die sich einer theoretischen Begründung entzieht. Drittens - mathematische Entwicklung - logische Muster und Konsequenzen finden. Der vierte ist die experimentelle Verifikation als höchstes Kriterium für den gesamten Entwicklungsweg.
Ein Mensch wie Galilei, der von so unterschiedlichen Motiven getrieben und so frei von der Last der Tradition ist, kann nicht in irgendein starres Schema gezwängt werden. Die Frage nach Galileis philosophischen Ansichten wurde und wird jetzt diskutiert. Er wurde ein Anhänger von Platon und Demokrit und Kant und Positivist usw. genannt. Er selbst wollte die Worte auf dem Titelblatt seiner gesammelten Werke sehen: "Von hier aus wird an unzähligen Beispielen deutlich, wie nützlich die Mathematik in Rückschlüssen auf das ist, was die Natur uns bietet und wie unmöglich echte Philosophie ohne Hilfe der Geometrie ist, gemäß" mit der von Platon verkündeten Wahrheit."
Referenzliste
1. Mario Llozzi. Geschichte der Physik. Moskau, Mir, 1970.-464 p.
2. M. Laue. Geschichte der Physik. Moskau., Staat. Verlag für technische und theoretische Literatur, 1956. -230 Sek.
3. KI Eremeeva., F. A. Tsitsin. Geschichte der Astronomie. Moskau, Verlag der Staatlichen Universität Moskau, 1989. -349s.
usw.................
