Второй закон термодинамики поставлен под вопрос

Похоже, что в микромире существуют свои поправки к законам.

Как выяснилось, второй постулат термодинамики, утверждающий принцип неубывания энтропии, не всегда действителен в полном загадок микромире.

Второй закон термодинамики гласит, что с течением времени уровень дезорганизации во всякой закрытой системе будет либо нарастать, либо оставаться на прежнем уровне.

Грубо говоря, стакан с чаем, оставленный в закрытой комнате, скорее отдаст тепло окружающему его воздуху, нежели нагреется от него (хотя вероятность такого странного события и нельзя исключить полностью, она, всё же, стремится к нулю).

Физики уже давно пришли к выводу о невозможности применения на атомном уровне принципов статистической механики. По крайней мере, на протяжении очень коротких отрезков времени сплошь и рядом возникают ситуации, когда второй закон термодинамики нарушается самым злостным образом. Оставалась невыясненной ситуация с микромиром: системами объектов, имеющими размеры порядка нескольких микрон.

Тем не менее, любопытный эксперимент, произведенный австралийскими химико-физиками, не только в значительной степени пролил свет на творящиеся там процессы, но и поколебал теоретические устои наномеханики.

Во всяком случае, там, где разговор заходит о поведении объектов микромира, результаты опыта вполне могут разрушить существующие взгляды на дальнейшие возможности миниатюризации человеческой техники. Как минимум, далеко не все грядущие шедевры нанотехнологов станут работать так, как рассчитывают их создатели.

Денис Эванс.

Для того, чтобы проверить свои предположения, группа исследователей Австралийского национального университета (Канберра) во главе с Денисом Эвансом (Denis Evans) воспользовалась микроскопическими (диаметром всего в несколько микрон) капельками латекса, взвешенными в воде.

Благодаря использованию сверхточного лазера, участникам эксперимента удалось с очень высокой степенью дискретизации измерить движение капель латекса в воде и таким образом вычислить уровень энтропии системы в коротких промежутках времени.

В частности, выяснилось, что во временных интервалах порядка нескольких тысячных секунды, энтропия системы приобретала отрицательный характер: хаотично движущиеся молекулы воды сообщали свою энергию каплям латекса.

Фигурально выражаясь, воздух нагревал стакан с чаем, а не наоборот. Однако во временных интервалах более двух секунд второй закон вступал в свои права, латекс отдавал свою энергию и общее равновесие восстанавливалось.

По мнению исследователей, результаты эксперимента очень неплохо вписываются в так называемую «Теорию флуктуаций», созданную в Австралийском университете около десяти лет назад. И учёным, занимающимся разработками в области нанотехнологий, придётся обратить на эту теорию самое пристальное внимание.

Если им, конечно, не хочется рано или поздно столкнуться с неприятными сюрпризами.



За ясновидцев снова взялись физики

22 июля 2002

Новый сплав прочнее стали, но требует аккуратного обращения

8 июля 2002

Итальянские физики создали «карту для загара»

2 июля 2002

Учёные научились управлять звуковой волной

2 июля 2002

Cryo3 — альтернатива счётчику Гейгера

12 апреля 2002
  • Георгий Гладышев  5 ноября, 14:09
    Основные недоразумения в понимании эволюции (второго начала термодинамики) с позиции физики и физической химии, как правило, связаны с неверными представлениями об энтропии. Этот термин ввел Рудольф Клаузиус. Свое «модельное» представление о мире (Вселенной) он представил в виде высказывания: «Энергия мира постоянна. Энтропия мира стремиться к максимуму». В дальнейшем это высказывание Дж. У. Гиббс выбрал в качестве эпиграфа к работе «О равновесии гетерогенных веществ» Упомянутые ученые сделали приведенное высказывание применительно к своей модели Вселенной. Эта модель соответствует простой изолированной системе идеального газа, т.е. изолированной системе идеального газа, энергия и объем которой постоянны и в которой не совершается никакой работы, кроме работы расширения. Энтропия такой системы может только возрастать! Однако любители науки и дилетанты распространили это утверждение на системы других типов, в которых имеет место взаимодействие между частицами (молекулами или объектами других иерархий) и которые (системы) взаимодействуют с окружающей средой. Подобных ошибок не избежали некоторые ученые, не являющиеся профессионалами в соответствующих областях знания. Это привело к невообразимой путанице и затормозило, более чем на столетие, развитие науки. Появились сотни тысяч публикаций в научных журналах и популярной литературе, содержащие отмеченные недоразумения. К этим недоразумениям прибавились некорректные представления о негоэнтропии и «диссипативных структурах в живом мире».
    Возникновение жизни и ее эволюция легко объяснимы с позиции иерархической термодинамики близких к равновесию динамических систем. Эта термодинамика создана на прочном фундаменте классической (равновесной) термодинамики – термодинамики Рудольфа Клаузиуса, Дж. У. Гиббса и других великих творцов.
    ОтветитьНравится
  • Сергей Новиков  5 ноября, 14:54
    Георгий Гладышев 5 ноября, 14:09 : «К этим недоразумениям прибавились некорректные представления о негоэнтропии и «диссипативных структурах в живом мире».»

    хороши «дилетанты» от науки такие как, Шредингер, Пригожин!.. Галимов.. и многие другие выдающиеся и признанные ученые, сделавшие немало для развития научных представлений о мире.

    может и С.Хокинг напрасно занимался энтропией черных дыр и задавался проблемой исчезновения в них информации?

    все-таки жизнь, несомненно, феномен информационный, и рассуждая об информации невозможно игнорировать понятие энтропии.?

    Ваше мнение, уважаемый Георгий Петрович, очень интересно и важно для читателей Мембраны и посетители всегда с большим интересом и вниманием прислушиваются к столь авторитетным суждениям и новой информации от признанного профессионала в этой области наук о жизни :)

    ОтветитьНравится
  • Сергей Новиков  5 ноября, 20:46
    вообще рассмотрение феномена жизни с использованием подходов и понятий термодинамики, но без использования понятия энтропии, при том, что это как раз это одно из основных понятий и термодинамических функций, выглядит странным и требует пояснений.

    все живое демонстрирует способность к своему развитию и усложнению. это эволюционное развитие идет необратимо при использовании живыми организмами причинно-следственных связей, которые они способны выделять и запоминать. но чем же еще, кроме термодинамики с ее понятием статистической направленности физических процессов, можно объяснить наличие стрелы времени и необратимость эволюции живых макросистем?

    ОтветитьНравится
  • Александр Иерархов  5 ноября, 22:01
    Сергей Новиков 5 ноября, 14:54
    такие как, Шредингер, Пригожин!.. Галимов.. и может и С.Хокинг
    -----------------------------------------------------------------------------------------

    Гопа оглашает список имён для подписи копипасты...

    ОтветитьНравится
  • Сергей Новиков  5 ноября, 23:26
    ох, простите, великодушно, Георгий Павлович, что переврал отчество, обращаясь к Вам давече!..)
    ОтветитьНравится
  • Геннадий Бражник  5 ноября, 15:23
    Георгий, может уже настало время несколько уточнить представление о термодинамике окружающего мира ? Тем более, что Шеннон уточнил представление Больцмана. Да и наше представление о физическом вакууме уже не обладает абсолютной пустотой. Может ВЗТД ограничить все-таки рамками трансформации пространства. И считать энтропию не открытой системы от текущего состояния, а от среднего до предельного значения? правда потребуется уточнить постоянную Больцмана, а то она в современном представлении несколько «портит» динамику процессов окружающего пространства
    ОтветитьНравится
  • Георгий Гладышев  7 ноября, 18:26
    Глубокоуважаемые коллеги,
    Буду весьма благодарен, если Вы сочтете возможным, просмотреть некоторые мои заметки, которые, как я полагаю, разъяснят разницу между термодинамической энтропией Клаузиуса — Гиббса и информационной энтропией Шеннона. В этих заметках также формулируются представления о возникновении жизни, биологической эволюции и старении живых существ.
    Идеи Л. Больцмана, И. Пригожина, Э. Шредингера, касающиеся проблем жизни, следует считать, в терминологии Р. Пенроуза, только пробными. Полагаю, что квази — приближения иерархической термодинамики позволяют описывать биологическую эволюцию, и в целом явление жизни, с использованием функций состояния (т.е. функций, которые с хорошим приближением имеют полные дифференциалы, т.е. функций, имеющих реальный физический смысл). gladyshevevolution.wordpress.com/
    Теория У. Гиббса — самая точная физическая теория, ее опровергнуть невозможно. С соответствующими приближениями ее можно применять к динамическим открытым системам реального мира. Л. Больцман, И. Пригожин явно недооценили теорию У. Гиббса. Хотя Э. Шредингер в примечании к своей книге, фактически признал, что ему следовало бы писать об изменении свободной энергии Гиббса, а не об «негоэнтропии». Более того, описывая поведение живых систем, следует учитывать, что это сложные системы (по терминологии В.В. Сычева), т.е. системы, в которых (или над которыми) совершается не только работа расширения.
    ОтветитьНравится
  • Геннадий Бражник  7 ноября, 22:19
    Глубокоуважаемый Георгий Гладышев,

    внимательно ознакомившись с Вашими заметками по представленной ссылке, следует отметить, что позиции иерархической термодинамики являются достаточно прогрессивной точкой зрения. Однако, заявление что

    =)) Теория У. Гиббса — самая точная физическая теория, ее опровергнуть невозможно.

    на мой взгляд кажутся преждевременными.
    это объясняется тем, что на заре формирования классической термодинамики, представление об окружающем материальном пространстве сводилась к линейному однородному пространству. Однако наработки КФ показали, что линейность среды это несколько утрированное восприятие по взаимодействию элементарных частиц, включая молекулярные, атомные и ионные взаимодействия.

    Я не случайно, спрашивал Вас о постоянной Больцмана
    ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%8F%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%91%D0%BE%D0%BB%D1%8C%D1%86%D0%BC%D0%B0%D0%BD%D0%B0
    поскольку в ее неопределенности видится перекос Вашего понятия иерархической термодинамики. Учитывая распределение Максвелла по скоростям ПБ была рассчитана из условий, что среднеквадратичная скорость при комнатной температуре изменяется от 1370 м/с для гелия до 240 м/с для ксенона.

    Вместе с тем, простой расчет парциальной воздушной смеси показывает, что при комнатной температуре максимальная скорость составляет порядка 4 км/с. Именно такая скорость обеспечивает нам номинальное давление и плотность воздуха атмосферы. Если учесть масштабирование пространственной среды, где скорость взаимодействия увеличивается в 1000 раз, для частиц другого измерения, точно так же как и в иерархической термодинамики, определяемой Вами, то получается, что у Гиббса рассмотрен только небольшой частный случай, или можно сказать базовый подход к тем начинаниям, которые Вы положили в основу своего утверждения.

    ОтветитьНравится
  • Сергей Новиков  8 ноября, 02:51
    Глубокоуважаемый Георгий Павлович!

    большое спасибо за ценные ссылки и крайне интересные работы — с этим стоит разбираться всерьез!)

    но все-таки несколько вопросов в упреждение и сразу, по ходу чтения..

    в работе «Математическая физика и эволюция живой материи»
    gladyshevevolution.wordpress.com/article/математическая-физика-и-эволюция-жив/

    Вы пишите:
    «Прошло три десятилетия, после того, К.Поппер подробно рассмотрел теорию Ч.Дарвина с позиции обсуждаемой целенаправленности биологической эволюции. Сейчас, как я убежден, появилось однозначное подтверждение причин, приводящих к зарождению жизни и ее эволюции. Эти причины кроются в термодинамической самопроизвольности эволюционных процессов, направленных в сторону, предписанную им (процессам) вторым началом термодинамики

    нет никаких возражений против использования понятий и мат. аппарата термодинамики, включая второе начало. но тут вопрос: а с чем связаны Ваши явные предпочтения одних формулировок второго начала (без энтропии) перед другими? вроде суть всех формулировках одна, но стат физика, определившая энтропию на микроуровне, дает более глубокое и ясное представление о природе происходящих в системе физ. процессов? что не так с энтропией?

    и второй вопрос: эволюция жизни и человека ведет к новым и все более сложным уровням иерархии в организации живых систем. при этом характерные времена взаимодействия внутри более высоких уровней уменьшаются. и существенно! тогда где может лежать граница/предел роста уровней сложности систем и чем она должна быть обусловлена на физ уровне? какого рода системы должны при этом возникнуть?

    а как Вы относитесь к представлению о «технологической сингулярности», введенному В.Винджем или к феноменологии Универсальной эволюции по Д.Панову?

    заранее спасибо за ответы :)

    ОтветитьНравится
  • Александр Иерархов  8 ноября, 09:39
    Гопа советует вам открыть броуновское движение и подвести под него Теорию Отрицательной Энтропии. Это минимум на Нобель тянет... Даже может на три...
    ОтветитьНравится
  • Георгий Гладышев  8 ноября, 13:21
    Глубокоуважаемый Сергей,
    Спасибо.
    Разумеется, существует несколько эквивалентных формулировок второго начала. Однако первые формулировки относились, прежде всего, к простым системам типа идеального газа. Сейчас мы распространяем второе начало и на сложные системы, в которых совершается не только работа расширения. Говоря об энтропии, я всегда подчеркиваю, что это функция состояния. Ей удобно пользоваться при рассмотрении простых (идеальных систем типа идеального газа) изолированных систем, объем которых постоянен и в которых не совершается никакой работы, кроме работы расширения. Энтропия таких систем может только возрастать! Указанные мной ограничения обычно излагаются в современных учебниках в «размытом» виде. Однако в хороших учебниках это пишут в компактной форме (например, учебники Даниэльса и Ольберти, одно из старых изданий переведено в СССР в 1978году, монографии – учебники В.В. Сычева, отдельные учебники, изданные в МГУ). Для изучения закрытых простых и сложных систем используются другие функции состояния … Замечу, что вся термодинамика (в том числе, химическая) создавалась для идеальных систем. Для систем, поведение которых отличается от идеальных систем, вводятся коэффициенты активности или фугитивности… В термодинамике много путаницы связано с терминологией (термины: закрытая, замкнутая, изолированная система и др.)
    Энтропия Больцмана интерпретируется только на статистической основе для идеального газа. Интерпретация энтропии для конденсированных систем на статистической основе крайне затруднительна. Об этом я, вслед за классиками (К. Денбиг, FRS и др.), часто писал в своих работах. В термодинамике много «деликатных» моментов, осознание которых требует высокого профессионализма. Полагаю, что надо, прежде всего, следовать У. Гиббсу,- это гарантирует нас от ошибок и заблуждений.
    Сергей, Вы говорите о временах взаимодействия в системах высокого уровня, т.е. временах релаксации. Они, действительно, существенно уменьшаются! Это есть «формулировка» закона временных иерархий. Позже, этот закон был переопределен в терминах времен жизни структур и представлен в виде обратной последовательности времен жизни временных иерархий. Это отмечается во многих работах. На разделении времен «стоит» иерархическая термодинамика, как и вся физика!
    Полагаю, что представление о «технологической сингулярности» имеет право на существование. Однако я затрудняюсь делать количественные прогнозы. Думаю, что с помощью иерархической термодинамики (социологической термодинамики) можно кое-что прогнозировать.
    Об универсальной эволюции. Я не читал книгу Панова. Однако, изучая информацию в Интернете, полагаю, что представления этого автора расходятся с представлениями термодинамики.
    ОтветитьНравится
  • Георгий Гладышев  7 ноября, 23:47
    Глубокоуважаемый Геннадий!
    Спасибо.
    О невозможности опровергнуть классическую термодинамику писали многие классики науки, в том числе, Альберт Эйнштейн. Дело, прежде всего, в том, что классическая термодинамика опирается на закон сохранения энергии (первое начало – частный случай этого закона) и аппарат полных дифференциалов, «бороться» с которыми вряд ли возможно. В профессиональной науке принято всерьез не рассматривать любую критику теории Гиббса, поскольку никому не удалось найти какие-либо существенные недоразумения в этой теории.
    Замечу также, что константа Больцмана появляется при статистической интерпретации энтропии идеального газа. При интерпретации поведения живых систем статистические методы, как правило, оказываются неэффективными.
    Много интересной информации (ссылок), касающейся второго начала и термодинамической энтропии, как я полагаю, содержится на сайте creatacad.org/?id=48&lng=eng
    Я думаю, что основы иерархической термодинамики могут быть легко осознаны на основе физической химии и общих положений биологии.
    ОтветитьНравится
  • Геннадий Бражник  8 ноября, 19:45
    Глубокоуважаемый Георгий Гладышев !

    Прочитав, Ваше утверждение о «О невозможности опровергнуть классическую термодинамику писали многие классики науки, в том числе, Альберт Эйнштейн..» был искренне удивлен тем сопоставлением, которое Вы привели. Вопросы о сломе классической термодинамики не ставится во главу угла, поскольку она была разработана на основании практических исследований и является статистическим обобщением наблюдаемых физических явлений нашего пространственного уровня измерения. Критике подвергается математический абстракционизм релятивизма, который наполнил себя множеством парадоксов, включая и аппарат полных дифференциалов, даже не осознавая до конца что это такое с физической точки зрения.
    относительно константы Больцмана получается, что при ее использовании в релятивизме при пересчете энергетического взаимодействия при комнатной температуре скорость света должна составлять порядка 10^(-10) м/с, однако в СТО постулируется совершенно другая величина.
    Я думаю, что перекосы релятивизма не позволят оф. физике легко осознать основы иерархической термодинамики, для этого необходимо обобщить существующие знания, отбросив догматизм релятивизма, как необоснованного окружающей действительностью

    ОтветитьНравится
  • Александр Лалетин  8 ноября, 01:13
    Укрываетесь в дебрях, а для начала надо бы просто разобраться, что есть температура вещества, Без точного определения этого понятия любая ваша термодинамика не стоит выведенного яйца.
    ОтветитьНравится
  • Александр Иерархов  8 ноября, 02:08
    Лалетин, а какова температура одиночного атома в пустом пространстве?
    ОтветитьНравится
  • Александр Лалетин  8 ноября, 15:15
    Температура вещества определяется скоростью вращения фрагментов внешних оболочек атомов, либо молекул.
    Вот определяй скорость вращения по внешней орбите одиночного атома, это и будет показатель его температуры.
    ОтветитьНравится
  • Антон Брандт  8 ноября, 01:17
    Как приятно читать «не срач».
    Классическая Мембрана — много страшных слов, соединенных в сложно-подчиненные предложения и подчеркнутая вежливость, в общении.
    Как говорится, ничего не понятно, но очень круто ©
    ОтветитьНравится