1.1.2. Основные законы развития природы: сохранения энергии, рассеяния энергии

Сади Карно, сын военного министра при Наполеоне Бонапарте и дядя будущего президента Французской республики, анализируя последствия завоевательных войн Франции начала XIX века, пришел к выводу, что одной из причин поражения Франции явилось ее отставание в использовании энергии. В последние двести лет люди потратили много сил, чтобы разобраться в этом понятии. Сегодня стало ясно, что благосостояние людей связано с потреблением энергии. Например, объем валового национального продукта страны почти пропорционален объему потребляемой энергии.

Изучением способов превращения энергии в физических телах занимается термодинамика. Она отвечает на вопросы: как получить тепло, как сделать процесс получения тепла управляемым, как его сохранить и как лучше его использовать. Чтобы ответить на них, ученые ввели определения и сформулировали основные законы, или начала, термодинамики.

Энергия (от греческого energeia – действие, деятельность) определяется как общая количественная мера различных форм движения материи. В природе любым физическим процессам соответствует тот или иной вид энергии: механической, химической, тепловой, гравитационной, электромагнитной, ядерной и так далее. Другими словами, она выражает способность тела или системы совершать работу.

Фундаментальные исследования в области теории информации привели к понятию информационной энергии, или энергии информационного воздействия, как к количественной мере изменения количества информации.

Первое начало термодинамики кратко формулируется так: “Энергия сохраняется”. Она не возникает из ничего и не исчезает бесследно; она может только переходить из одной формы в другую. Этим основополагающим открытием 50-х годов прошлого столетия мы обязаны лорду Кельвину (Уильямсу Томсону) и Рудольфу Клаузису. Кельвин, как религиозный человек, считал, что Творец в момент создания мира наделил его запасом энергии, и что этот божественный дар будет существовать вечно.

Второе начало термодинамики устанавливает наличие в природе фундаментальной асимметрии, то есть однонаправленности всех происходящих в ней самопроизвольных процессов рассеивания энергии: горячие тела с течением времени охлаждаются, однако холодные сами по себе не становятся горячими, вращающийся волчок, в конце концов, останавливается, однако покоящийся волчок самопроизвольно не начнет вращаться. То есть распределение имеющейся энергии изменяется необратимым образом. Это свойство материи отражается принципом энтропии. Если есть термин энтропия, характеризующий степень беспорядка в природе, значит должен существовать термин, определяющий степень порядка. Энтальпия и является функцией, оценивающей степень упорядоченности системы (локальной неоднородности).

	Естественно протекающие в природе процессы сопровождаются увеличением энтропии (беспорядка).

Удивительным образом эти представления отражаются в модели Вселенной. Она расширяется, при этом происходит рассеяние энергии в пространстве. Непрерывное и глобальное естественное разрушение является основным свойством окружающего нас материального мира. В этом контексте то, что стоит в сознании человека за образом Мефистофеля, играет важную роль в природе, обеспечивая процессы диссипации (от латинского dissipatio – рассеяние). Вместе с тем из-за локальных неоднородностей распределения вещества в природе происходит его накопление в локальных зонах Вселенной. Так образуются галактики, созвездия, солнечные системы, планеты.

Если мы не поддерживаем сознательно в доме порядок, то независимо от нашего желания в нем будет увеличиваться беспорядок. И наоборот, целенаправленная созидательная деятельность сопровождается уменьшением энтропии (беспорядка) в некоторой локальной зоне пространства. Правда, это возможно только за счет создания еще большего беспорядка вне этой зоны: так рождаются свалки и другие отходы – побочные продукты созидательной деятельности. Из практики мы знаем, что созидательная деятельность невозможна без использования разума или некоего рожденного природой алгоритма. В этом случае рождение кристалла в аморфной породе является примером целенаправленной созидательной деятельности в природе на основе рожденного ею же самой алгоритма. Любой живой организм также является примером ограниченного пространства, в котором в течение жизни энтропия не возрастает. В отличие от кристалла организм обладает свойством саморегулирования, то есть способностью поддерживать постоянство внутренней среды при изменении внешних и внутренних возмущений. Это свойство не увеличивать энтропию в течение жизни является одним из основных, отличающих элемент живой природы от неживой. Таким образом, поддержание порядка связано с алгоритмом саморегулирования, сознанием. Рассуждая понятиями гетевских аллегорий, можно сказать, что Творец отвечает за процессы, связанные с жизнью, не увеличивающие энтропию. Он как бы использует материю как экспериментальный материал для создания и отработки алгоритмов, поддерживающих различные жизни в поисках их совершенства.

Поскольку на практике часто трудно непосредственно измерить величину энергии тела, люди научились оценивать ее через количество работы, которую можно с ее помощью выполнить. Из школьного курса физики мы знаем, что работа оценивается как произведение силы, приложенной к телу, умноженной на расстояние, на которое тело переместилось. Так или иначе, понятие силы в природе связано с видом взаимодействия. Как мы уже отмечали, в основе всех известных сил лежат четыре основных типа взаимодействия физических тел (таблица 1.1.1). При рассмотрении динамических процессов важно помнить, что любое движение материального тела может быть разложено на три основных: поступательное, колебательное и вращательное. Движение и сила имеют направления, которые не всегда совпадают. Это несовпадение учитывается коэффициентом, пропорциональным величине угла между направлением силы и направлением движения. Теперь мы можем объяснить, что показывающие время часы, неподвижно висящие на стене, потребляют энергию за счет колебания маятника и других частей. Ось юлы, практически неподвижно стоит относительно пола. Однако юла имеет энергию вращения и тратит ее на преодоление сопротивления воздуха и трения оси о пол.

Для оценки скорости использования энергии или ее приобретения применяется понятие мощности, как скорости изменения общей энергии некоторой системы. Таким образом, произведение мощности на время дает энергию. Мощность измеряется в ваттах. За одну секунду накопитель энергии с мощностью один ватт способен дать системе один джоуль (Дж) энергии. Одна лошадиная сила определяется как ежесекундный расход энергии, равной 746 Дж.

Итак, перечислим необходимые для понимания материала книги основные законы, которые лежат в основе процессов, происходящих во Вселенной (макромире):

1. Закон иерархического подобия.

2. Закон ритма.

3. Закон сохранения энергии.

4. Закон энтропии.

Литература

1. Курс физики. Механика. Акустика. Теплота и молекулярная физика. / Под ред. Н.Д. Папалекси. – М.-Л.: ОГИЗ Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1948. – Т.1 600 с., ил.
2. Нарликар Дж. Гравитация без формул. / Пер. с англ. С.И. Блинникова; Предисл. И.Ю. Кобзарева. – М.: Мир, 1985. – 148 с., ил.
3. Стратонович Р.Л. Теория информации. – М.: Сов. Радио, 1975. – 424 с.
4. Уипл Ф.Л. Семья Солнца: планеты и спутники Солнечной системы / Пер. с англ. Ю.И. Ефремова; Под ред. М.Я. Марова. – М.: Мир, 1984. – 316 с., ил.
5. Физиология человека: Учебник для студентов мед. вузов / Под ред. В.М. Смирнова. – М.: Медицина, 2001. – 608 с., ил.
6. Физический энциклопедический словарь / Гл. ред. А.М. Прохоров. – М.: Сов. энциклопедия, 1983. – 928 с., ил.
7. Фрайфелдер Д. Физическая биохимия. Применение физико-химических методов в биологии и молекулярной биологии / Пер. с англ. Е.С. Громовой, С.В. Яроцкого; под ред. З.А. Шабаровой. – М.: Мир, 1980. – 582 с., ил.
8. Эткинс П. Порядок и беспорядок в природе / Пер. с англ; Предисл. Ю.Г. Рудого. – М.: Мир, 1987. – 224 с., ил.