Второй закон термодинамики и неупорядоченность

То же самое происходит во всех реально протекающих процессах. Переход от согласованного движения (вращающаяся шина) к несогласованному (разогретая, но остановившаяся шина) осуществляется очень легко, однако обратный переход дается более дорогой ценой. Как мы узнаем из гл. 16, в любом реально протекающем процессе обязательно возрастает степень неупорядоченности рассматриваемого объекта и всего взаимодействующего с ним окружения. Другими словами, в нашем мире постоянно происходит усиление беспорядка. Это утверждение представляет собой простейшую формулировку второго закона термодинамики. Величина, служащая мерой этого беспорядка, называется энтропией X и будет в дальнейшем изучаться применительно к химическим явлениям. [c.139]

Когда энтропия выводится из второго закона термодинамики, она не получает очевидной интерпретации на молекулярном уровне. Однако австрийский физик Людвиг Больцман (1844-1906) показал в 1877 г., что энтропия имеет основополагающее значение для понимания молекулярных явлений она является мерой неупорядоченности в молекулярной системе. Больцман показал, что энтропия 5 связана с числом различных микроскопических способов реализации конкретной макроскопически определенной и наблюдаемой ситуации. Если число эквивалентных способов реализации некоторой ситуации равно IV, то энтропия пропорциональна логарифму числа У [c.55]

Согласно классической теории ФП [14, 15] причиной возникновения того или иного упорядочения является изменение соотношения между вкладами внутренней энергии Е и энтропии 5 в свободную энергию Р=Е-Т8. Основным принципом статистической физики, вытекающим нз второго закона термодинамики, является минимальность таких термодинамических потенциалов, как свободная энергия, в состоянии равновесия. Поэтому в равновесии Р минимально относительно всех внутренних параметров системы, в частности относительно степени упорядоченности. Энтропия характеризует величину беспорядка, хаотичности в системе, и при переходе от неупорядоченной структуры к упорядоченной она уменьшается. В то же время энергия составляющих систему частиц минимальна при их упорядоченном, а не хаотическом расположении. Таким образом, в свободной энергии вклад слагаемого с внутренней энергией описывает тенденцию к упорядоченности, а энтропийного слагаемого -к неупорядоченности, и выбор системой равновесного состояния с минимальным / определяется конкуренцией между вкладами. С понижением температуры степень хаотичности и энтропия уменьшаются, вклад энтропийного слагаемого стремится к нулю, и свободная энергия определяется внутренне энергией Е. Поэтому при низких температурах все равновесные системы должны быть так или иначе упорядочены. Таким образом, необходимость тех или иных ФП упорядочения при понижении температуры следует нз общих законов термодинамики. Современной теории ФП предшествовала теория Л.Д Ландау. Основные положения теории Ландау [13] [c.22]

Второй закон термодинамики. Имеется несколько формулировок второго закона. Он может быть определен как закон невозможности самопроизвольного перехода системы из.неупорядоченного в более упорядоченное состояние. Количественной характеристикой упорядоченности состояния вещества служит его свойство, называемое энтропией S. Эта величина определяется по формуле Больцмана, согласно которой [c.149]

Термин энтропия , буквально означающий внутреннее изменение или внутреннее превращение , впервые был введен в 1851 г. немецким физиком Рудольфом Клаузиусом, которому принадлежит одна из первых формулировок второго закона термодинамики. Строгая количественная интерпретация энтропии может быть дана на основе статистических и вероятностных представлений. Качественный смысл этого понятия можно проиллюстрировать на трех примерах, каждый из которых характеризует определенный аспект энтропии. Главное, что всегда связывают с энтропией,-это неупорядоченность системы, которая в разных случаях может проявляться по-разному. [c.404]

Для биологических систем существенна еще одна важная особенность изменений энтропии Согласно второму закону термодинамики, при химических реакциях или физических процессах энтропия Вселенной увеличивается. Из этого закона, однако, не следует, что возрастание энтропии должно происходить обязательно в самой реакционной системе оно может произойти в любом другом участке Вселенной. В живых организмах метаболические процессы, т. е. те превращения, которым подвергаются в них пищевые вещества, не ведут к возрастанию внутренней неупорядоченности, или энтропии самих организмов. Из повседневных наблюдений мы знаем, что любой организм, будь то муха или слон (т. е. в нашем понимании система ), при всех процессах жизнедеятельности сохраняет присущую ему сложную и упорядоченную структуру. В результате процессов жизнедеятельности возрастает энтропия не самих живых организмов, а окружающей среды. Живые организмы сохраняют внутреннюю упорядоченность, получая свободную энергию в виде пищевых веществ (или солнечного света) из окружающей среды и возвращая в нее такое же количество энергии в менее полезной форме, главным образом в форме тепла, которое рассеивается во всей остальной Вселенной. [c.408]

Поэтому в открытых системах, которые во всяком случае при dS <0 являются неравновесными, -может в целом или локально возрастать упорядоченность (энтропия — мера неупорядоченности, dS kin W), т. 0. возникать и существовать без нарушения второго закона термодинамики новые структуры, некоторые из которых могут оказаться устойчивыми [81. [c.79]

По второму закону термодинамики системы самопроизвольно и необратимо переходят от меньшей неупорядоченности к большей с увеличением энтропии. Поэтому энтропия является величиной положительной и измеряется количеством тепла на 1 моль вещества, отнесенным к Г. Если при подводе тепла температура системы изменяется, приращение энтропии определяется интегрированием функции [c.194]

Соответственно второму закону термодинамики, самопроизвольно протекающие процессы (физические, химические) стремятся идти в направлении, соответствующем возрастанию неупорядоченности системы и окружающей среды (меру разупорядоченности системы для данного момента времени называют энтропией) [3, 10—13]. [c.407]

Из второго закона термодинамики следует, что система и ее окружение, будучи предоставлены самим себе, приближаются обычно к состоянию максимальной неупорядоченности (энтропии). Это значит, что высокоупорядоченные системы легко разрущаются, если на поддержание их упорядоченности не затрачивается энергия. Все биологические процессы подчиняются этим двум законам термодинамики и управляются ими. [c.373]

Клетки должны подчиняться законам физики и химии. Принципы механики и закон сохранения и превращения энергии можно применить к клетке точно так же. как и к паровой машине. Однако нельзя не признать, что клеткам присущ ряд особенностей, которые приводят нас в замешательство и на первый взгляд, казалось бы, ставят клетки в особое положение. Как показывает повседневная практика, все, что предоставлено самому себе, в конце концов приходит в неупорядоченное состояние здания разрушаются, мертвые организмы подвергаются гниению и т.д. Эта общая тенденция выражена во втором законе термодинамики, который гласит, что в любой изолированной системе степень неупорядоченности может только возрастать. [c.79]

Второй закон термодинамики позволяет предсказывать направление протекания конкретной реакции (однако этого нельзя сказать о первом законе). Но, чтобы закон можно было применять с указанной целью, необходимо иметь подходящую меру вероятности состояния, или, другими словами, показатель степени его неупорядоченности. Такой мерой служит энтропия ( S . Она представляет собой логарифмическую [c.97]

Повторим еще раз важнейшее утверждение этого раздела при заданных условиях термодинамическое равновесие соответствует наибольшей степени неупорядоченности. Поэтому сравнительно высоко организованные состояния должны быть неравновесными. Хотя для всякого неравновесного процесса по-прежнему справедлив второй закон термодинамики, [c.24]

Энтропия — мера неупорядоченного состояния внутренней энергии системы, т. е. в каждый данный момент она определяет степень хаотичности системы. Величина энтропии определяет ту часть, внутренней энергии системы, которая не может быть превращена в работу. Из второго закона термодинамики следует, что можно с большой вероятностью предсказать направление протекания определенного процесса (например, химической реакции) в системе. Однако измерить изменение энтропии в системе и окружающей среде не всегда просто. [c.78]

Второй закон термодинамики многократно подвергался сомнениям и критике, однако он продолжает играть важную роль в физике. Причина этого в том, что, несмотря на выявление свойственных ему ограничений и недоверие к его обоснованности, было очень трудно продемонстрировать, что из атомной неупорядоченности может получиться упорядоченность. Однако теперь это удалось показать в целом ряде экспериментов. [c.53]

Второй закон термодинамики гласит энтропия системы при самопроизвольных процессах возрастает. Энтропия служит мерой неупорядоченности, хаотичности системы и достигает максимума, когда система приходит в истинное равновесие. При постоянных температуре и давлении соотношение между изменением свободной энергии системы (А G) и изменением энтропии (AS) представляется следующим выражением, которое объединяет оба закона термодинамики [c.111]

В 1861 Г. примерно в то же время, когда Грэм доложил о своих первых экспериментах по диализу с помощью синтетических мембран [1], Максвелл выдвинул идею демона, способного следить за траекторией каждой молекулы и выполнять совершенно недоступные для нас действия [2]. Другими словами, демон Максвелла способен различать и сортировать отдельные молекулы. Предположим, что сосуд разделен на две части А и В перегородкой, в которой есть маленькое отверстие, и что демон Максвелла , сидя возле этого отверстия, может его открывать и закрывать (рис. 1-1). Секция А наполнена газом, состоящим из горячих (Н) и холодных (С) молекул (т. е. Н и С имеют разные средние скорости), и демон пропускает через перегородку только горячие молекулы. После того как он поработает в течение некоторого времени, горячие и холодные молекулы будут полностью разделены (рис. 1-1,6). Следовательно, из неупорядоченного состояния достигается упорядоченное, что противоречит второму закону термодинамики. Этот закон устанавливает, что система, находящаяся в изолированном состоянии, стремится к максимальной энтропии, т. е. к максимуму беспорядка. [c.16]

Теперь можно нонять, что подразумевается, когла говорят работа вырождается в теплоту это значит, что направлеггное молекулярное движение становится неупорядоченным. Второй закон термодинамики устанавливает, может ли быть получспо организованное движение из хаотического (гл. 5). [c.83]

Рассмотрим ящик, в котором имеется 1000 монет, причем все они лежат "орлом" вверх. Если энергично встряхнуть ящик, монеты приходят в беспорядочное движение, сходное с движением молекул под действием непрерывных столкновений друг с другом. В конце концов около половины всех монет окажутся лежащими "решкой" вверх. Причина подобной переориентации состоит в следующем существует лишь единственная возможность для того, чтобы монеты вернулись в исходное состояние (т. е. "орлом" вверх), в то время как состояние, при котором примерно равные количества монет обращены вверх "орлом" и "решкой", может быть достигнуто множеством различных способов (порядка 10 ). На самом деле состояние, при котором соотношение "орлов" и "решек" равно 50 50, достигается наибольшим числом способов по сравнению с любым другим состоянием. Для каждого состояния имеется вероятность его реализации, пропорциональная числу способов, которыми это состояние может быть достигнуто. Второй закон термодннамнкн гласит, что "самопроизвольно система переходит из менее вероятного состояния в более вероятное. Поскольку менее вероятные состояния являются более "упорядоченными", чем состояния более вероятные, второй закон термодинамики может быть сформулирован следующим образом "непрерывные изменения во Вселенной переводят ее в более неупорядоченное состояние" [c.96]

Согласно второму закону термодинамики, химические реакпии протекают спонтанно только в направлении, повышающем неупорядоченность во Вселенной. В гл. 2 говорилось о гом, что реакции, при которых высвобождаемая энергия рассеивается в виде тепла в окружающую среду (такие, как гидролиз АТР), способствуют увеличению этой неупорядоченности, так как усиливают хаотическое движение молекул. Кроме того, химические реакции могут влиять на степень неупорядоченности, изменяя концентрации реагирующих веществ и продуктов реакции. Суммарное изменение неупорядоченности Вселенной в результате какой-либо реакции определяется изменением свободной энергии, AG, сопровождающим эту реакпию чем больше уменьшается свободная энергия (т. е. больше отрипательное значение AG), тем в большей [c.444]

Ученый-эволюционист Роджер Левин в своей статье в научном журнале S ien e объясняет безвыходное положение теории эволюции перед законом термодинамики следующим образом Проблема, с которой столкнулись биологи - ничто иное, как явное противоречие эволюции второму закону термодинамики. Системы со временем должны разрушаться и приходить в более неупорядоченное состояние . [c.129]

В 1945 г. Шредингер написал книгу Что такое жизнь с точки зрения физики , оказавшую существенное влияние на развитие биофизики и молекулярной биологии. В этой книге внимательно рассмотрено несколько важнейших проблем. Первая из них — термодинамические основы жизни. На первый взгляд имеется решительное противоречие между эволюцией изолированной физической системы к состоянию с максимальной энтропией, т. е. неупорядоченностью (второе начало термодинамики), и биологической эволюцией, идущей от простого к сложному. Шредингер говорил, что организм питается отрицательной энтропие1и>. Это означает, что организмы и биосфера в целом не изолированные, но открытые системы, обменивающиеся с окружающей средой и веществом, и энергие . Неравновесное состояние открытой системы поддерживается оттоком энтропии в окружающую среду. Вторая проблема — общие структурные особенности органиа-мов. По словам Шредингера, организм есть апериодический кристалл, т. е. высокоупорядоченная система, подобная твердому телу, но лишенная периодичности в расположении клеток, молекул, атомов Это утверждение справедливо для строения организмов, клеток и биологических макромолекул (белки, нуклеиновые кислоты). Как мы увидим, понятие об апериодическом кристалле важно для рассмотрения явлений жизни на основе теории информации. Третья проблема — соответствие биологических явлений законам квантовой механики. Обсуждая результаты радиобиологических исследований, проведенных Тимофеевым-Ресовским, Циммером и Дельбрюком, Шредингер отмечает, квантовую природу радиационного мутагенеза. В то же время применения квантовой механики в биологии не тривиальны, так как организмы принципиально макроскопичны. Шредингер задает вопрос Почему атомы малы Очевидно, что этот вопрос лишен смысла, если не указано, по сравнению с чем малы атомы. Они малы по сравнению с нашими мерами длины — метром, сантиметром. Но эти меры определяются размерами человеческого тела. Следовательно, говорит Шредингер, вопрос следует переформулировать почему атомы много меньше организмов, иными словами, почему организмы построены из большого числа атомов Действительно, число атомов в наименьшей бактериальной клетке [c.12]

В XIX веке были созданы две великие эволюционные теории. Второе начало термодинамики (Клаузиус, Гиббс, Больцман) дает закон эволюции вещества в изолированной системе к его наиболее вероятному состоянию, характеризуемому максимальной неупорядоченностью, максимальной энтропией. Напротив, теория биологической эволюции (Дарвин) выражает возрастание упорядоченности и сложности живых систем, начиная с примитивных микроорганизмов и кончая Homo sapiens с его мыслящим мозгом. Между этими двумя теориями действительно имеется несоответствие — биологическая эволюция, филогенез, а также онтогенез никак не согласуются с равновесной термодинамикой изолированных систем. [c.12]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология