Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Экзамен на «Homo Sapiens – II». От концепций естествознания ХХ века – к естествопониманию

Поляков В. И.,

4.1.4. О природе энтропии, как характеристики среды ДУХ

Понятие энтропии было введено в термодинамике для анализа процессов преобразования энергии как термодинамическая функция состояния системы - S, малое изменение которой dS в равновесном процессе равно отношению количеству теплоты dQ, сообщённого системе или отведённого от неё, к термодинамической температуре Т системы. Традиционно в термодинамике она определяется как интеграл приращения тепла, соотнесенный к определенному уровню температуры T:

S =∫ (dQ/ T).

«Энтропией называется функция S состояния системы, дифференциал которой в элементарном обратимом процессе равен отношению бесконечно малого количества тепла, сообщённого системе к абсолютной температуре последней: dS = δQ/T» [91]. Энтропия как функция системы не объясняет, какое её состояние она описывает. Это «что-то», которое при нагревании системы dS > 0, а при охлаждении dS < 0. Основное соотношение термодинамики: dS ≥ δQ/T, где знак равенства относится к обратимым процессам, а знак неравенства - к необратимым. Это и есть формулировка второго закона термодинамики: «в замкнутой системе энтропия не может убывать, а лишь возрастает, пока не достигнет максимума».

Открытие этого свойства среды и его название принадлежит немецкому физику Р.Ю.Э. Клаузиусу (1822-1888). «Эн» - слог, взятый от энергии, а «тропе» по-гречески означает превращение. Энергия и энтропия, считал Клазиус,- дополняющие друг друга понятия, близкие по своей физической значимости. Энтропия, - это способность к превращениям энергии. В среде ДУХ любой физический переход, в котором происходит возрастание энергии материальных частиц, обязательно должен сопровождаться эквивалентным возрастанием энтропии.

Невнятное определение энтропии привело к множеству разных толкований. Если теплота, энергия и температура - это одно и тоже, то тогда энтропия это мера способности перехода чего во что? Физическая размерность энтропии в принятых соотношениях физики и химии - калория /К или Дж/К. Температура в градусах Кельвина - это мера измерения тепловой энергии, а джоуль - это мера волновой энергии. Поэтому энтропию следует рассматривать как коэффициент полезного действия при передаче волновой энергии в среде ДУХ в тепловую (массовую), показатель того, сколько надо энергии квантов для увеличения теплоты на 1 градус Кельвина.

Ошибка в физическом понимании энтропии состоит в её отнесении к закрытым системам. Закрытых систем в Природе нет, «всё связано со всем», и любая передача тепла происходит не через пустое пространство, а через среду ДУХ, где и происходит естественное перераспределение энергии.

Возрастание энтропии соответствует самопроизвольной эволюции системы, процессу её перехода в термодинамически равновесное состояние, которому соответствует максимум энтропии среды и минимум внутренней энергии. Способность сложных систем эволюционировать в сторону увеличения энтропии Л. Больцман объяснял их переходом из менее вероятного состояния в более вероятное, и рассматривал необратимое возрастание энтропии как возрастание молекулярного хаоса в системе. Процесс постепенной потери энергии молекулами разогретого газа в столкновениях и соответствующего снижения температуры был представлен как переход из нестационарного состояния в статистическое равновесие. Потеря энергии частицами означает уменьшение их свободного пробега; частицы «успокаиваются», все меньше двигаются и в пределе должны остановиться, создав некую структуру. В этом состоит ошибка Больцмана. Рост энтропии в среде ДУХ (рост хаоса) соответствует процессу структуирования материи!

Вероятностный подход описания всего ансамбля частиц как единого целого - это догадка Больцмана была сформулирована им в формуле, высеченной на памятнике на его могиле на венском кладбище: S = k·lnW, где W- термодинамическая вероятность микросостояний макросистемы, которая оценивается как совокупность всех возможных изменений параметров системы. Постоянная Больцмана k = 1,381·10^-23 Дж/К - это коэффициент пересчёта безразмерной вероятности к принятой размерности энтропии.

Исходя из тезиса, что природные константы не должны зависеть от выбора единиц измерения, например, массы, выраженной в граммах или килограммах, следует принять, что постоянная Больцмана в естествознании должна быть безразмерной характеристикой связи энтропии и вероятности состояния. Постоянная Больцмана должна быть безразмерной, также потому что энтропия определяется как вероятность, которая должна быть безразмерной, потому что температура - характеристика энергии, а также потому, что энтропия является характеристикой среды ДУХ, которая, являясь нематериальной и непрерывной, не может иметь размеров.

 Статистический характер энтропии позволяет определить связь энтропии и информации. «Энтропия системы - количество информации, недостающее для её полного описания» [4].

Cоотношение Л.А. Блюменфельда позволяет определить количество состояний макросистемы - I при условии равенства термодинамической вероятности всех микросостояний макросистемы - W: I = 1,4427· ln W. Отсюда ln W = 0,6931· I. Подставляя это значение в выражение для энтропии, получаем S = 1,3807·10^-23 · 0,6931 I = 9, 5696 10^-24 ·I (бит). Такова связь энтропии и информации, которая в данном контексте рассматривается как количество информации, недостающее для полного описания системы.

Возрастание энтропии, считал Больцман, является глобальным «дрейфом», возникающим в результате бесчисленных столкновений между частицами». И. Пригожин, рассматривая Вселенную в соответствии с моделью Большого взрыва, писал: « с момента открытия реликтового излучения с его огромным энтропийным содержанием мы не можем дальше игнорировать термодинамический, диссипативный аспект расширения. Более того, мы вынуждены даже прийти к заключению, что почти вся энтропия, которая могла бы быть произведена во Вселенной, уже произведена. По оценкам, если бы вся имеющаяся во Вселенной материя превратилась в фотоны, то энтропия Вселенной изменилась бы только на одну сотую долю процента! Как понять такое гигантское производство энтропии, несомненно, являющееся одной из главных характеристик рождения Вселенной?» [64].

Кем/чем произведена энтропия? Отрицая Большой взрыв, следует принять, что энтропия - это реальная характеристика среды ДУХ. ДУХ не имеет структуры и его энтропия бесконечна. Уничтожение путём превращения в излучение всей материи, занимающей в ДУХ ничтожный объём, практически не изменит энтропии ДУХ.

И. Пригожин приблизился к пониманию энтропии как созидающего фактора: «Обращаясь ко второму началу термодинамики, заметим, что различные формы энергии играют различную роль в изменении энтропии. Энтропия связана с внутренней энергией, а не с остальными формами энергии, такими как механическая энергия. Так как имеется источник внутренней энергии, то имеется и источник энтропии. В стандартной модели энтропия, как мы видели, сохраняется. В нашей модели мы имеем её производство, пропорциональное скорости рождения частиц» [64]. Способность рождения материи, как было показано, свойство среды ДУХ. Большой шаг, сделанный И. Пригожиным в теоретическом объяснении явлений Природы, состоит в том, что его «модель не описывает «рождение из ничего» в абстрактном, философском смысле. Действительно, квантовый вакуум - отнюдь не «ничто». Он наделён универсальными постоянными» [64].

Следует рассмотреть ещё одно свойство энтропии - её связь с теплоёмкостью. Учитывая, что температура является аналогом энергии движения молекул, выше сделан вывод, что энтропия должна рассматриваться как безразмерный коэффициент, характеризующий долю передаваемой энергии в системе материя+ДУХ. Его можно рассматривать как аналог силы трения - неизбежная потеря энергии, дань ДУХ. Поэтому энтропия зависит от структуры тел и различна для разных веществ, для жидкостей и газов. При одной и той же затраченной энергии увеличение температуры тела будет разным. Оно определяется теплоёмкостью С = dQ/dT, Дж/К. Энтропия и теплоёмкость тела очень близкие понятия, различие которых чисто математическое. Насколько малое приращение - дифференциал адекватно его нулевому значению - постоянству? Энтропия определена как прирост теплоты при постоянной температуре, а теплоёмкость - к её малому изменению.

«Теплоёмкость» «энтропии». Оба эти названия служат физическими характеристиками структурной сложности вещества. Они характеризуют взаимосвязь материального тела, как единой структуры из молекул или атомов с окружающей средой, которой является для этих частиц система ДУХ. Физический смысл этого соотношения - оценка суммарного количества степеней свободы внутри вещества (возможности колебаний без разрыва связей), являющихся емкостью для тепла - кинетической энергии частиц.

Рассмотрим взаимосвязь теплоёмкости элементов и значения температуры Дебая, являющейся характеристикой частоты колебаний в кристаллах элементов - Θ = hν/k, где ν- максимальная частота колебаний атома в кристалле, k - константа Больцмана. В табл. 4.2 даны первые элементы таблицы Менделеева, расположенные в порядке уменьшения их теплоёмкости.

Наблюдается достаточно чёткая зависимость (исключение - благородный газ - неон) уменьшения теплоёмкости при возрастании частоты колебаний атомов в кристалле. Частота колебаний зависит от структуры. Чем плотнее упаковка атомов в кристалле, тем больше частота, меньше теплоёмкость и энтропия. У углерода в алмазной решётке - самого твёрдого природного вещества теплоёмкость и энтропия минимальны.

Таблица 4.2. Теплоёмкость и частота колебаний элементов [91]

При развале материальных структур энтропия возрастает, а молекулы или иные составляющие рассеиваются в пространстве. Возрастание расстояния между материальными объектами можно расценивать как увеличение объёма в пространстве, находящегося вне материальных тел, то есть, занятого ДУХ, что соответствует возрастание энтропии.

Энтропия - физическая характеристика среды ДУХ, зависящая от отношения геометрического объёма тела к объёму материальных структур в нём.

Температура определяет количество энергии, которое надо внести на единицу дестабилизации порядка в структуре. Упорядочивание происходит при понижении температуры. Структура льда более упорядочена и более стабильна, чем воды. Сверхпроводимость, характеризующаяся упорядоченным движением электронов, достигается при сверхнизких температурах, близких к абсолютному минимуму значения температуры Т = - 273,15 ^оС . При абсолютном нуле температуры не может происходить передача энергии и поэтому прекращается взаимодействие ДУХ и материи. А так как Вселенная вечна, то не может прекратиться движение ДУХ+материя, не может существовать температура, равная абсолютному нулю.

Для каждой системы существует своё вполне определённое значение энтропии, как характеристика свободного пространства в объёме. Совокупность частиц, образующих систему, при отсутствии внешних воздействий переходит в наиболее вероятное состояние, характеризующееся определённым распределением частиц по энергиям - распределение Больцмана. Состояние равновесия системы при данных температурных условиях является максимально вероятным. Так как тепло есть сумма кинетической энергии всех частиц системы, то возрастание температуры характеризует увеличение равномерности в распределении энергии, то есть увеличение энтропии. При переходе одного вида энергии в другой вследствие трения при движении или при переходе электричества в свет производится теплота, которая представляет вовлечение в этот процесс молекул среды. Как они вовлекаются? Объяснить это иначе, чем участием среды ДУХ невозможно. Отсюда следует, что энтропия является характеристикой этой среды.

В качестве энтропийной характеристики среды ДУХ можно рассмотреть отношение плотности материи в теле к плотности материи в космическом пространстве. Чем больше плотность элементарных частиц в макротеле (учитываются все частицы, формирующие и ядра, и атомы), тем меньше пространства остаётся для среды ДУХ. Чем более энергетически выгодная, то есть более оптимальная структура тела, тем больше требуется энергии на её изменение.

Понятие энтропии в теплофизике, статистике, информатике и других науках имеет совершенно разные трактовки. В среде ДУХ энтропия должна рассматриваться, как доля энергии квантов, которая превращена в тепловую энергию в материальной среде. Этот коэффициент должен быть безразмерным. Безразмерная энтропия - характеристика ДУХ. Это следует из онтологической реальности ДУХ, где не должно быть никаких размерностей.

Энтропия - коэффициент пропорциональности между двумя видами энергии: тепловой, характеризуемой движением молекул и квантовой, переданной среде субстанцией ДУХ.

В разных разделах физики используют разные формулы для выражения энергии. Так как во всех случаях, энергия измеряется в единицах джоуль, их можно и нужно приравнивать для понимания переходов энергии. Выберем несколько формул, в которых выражена взаимосвязь материальных частиц и ДУХ через передачу энергии (в выражениях опущены дифференциалы и коэффициенты перехода):

E = ST = hν = mc² = kT = RT .

Размерность температуры должна соответствовать размерности энергии, а также работе и количеству теплоты - джоуль (ML²T^-2). Также, как энтропия, должны быть безразмерными универсальная газовая постоянная - R и константа Больцмана - k. Они есть коэффициенты пропорциональности между видами энергии, и определяются только выбором системы единиц. Физический смысл универсально газовой постоянной R = 8,3145 Дж/(моль К) - энергия, которую следует передать одной грамм-молекуле газа, чтобы поднять её температуру на 1 градус. Но если градус тепла - это тоже название энергии, то константа R есть коэффициент пропорциональности передачи энергии при изменении объёма и давления в одном моле газа в энергию тепловую. Это реальная константа, не зависящая от выбранных единиц измерения. Мировые физические константы должны оставаться константами, независимо от того, какую систему единиц мы придумали. Например, скорость света остаётся постоянной, хотя может измеряться в разных физических единицах: 3·10⁸ м/с, 3·10¹⁰ см/с, 1,08·10¹² м/час, 1,86·10⁵ миль/с.

Из равенства термодинамических и квантово-механических уравнений можно получить соответствующие коэффициенты перехода энергии.

Т = (h/k) ν = 4,7979·10 ^-11 ν (с·К).

Температура пропорциональна частоте. 1 К соответствует частота 2,0842·10¹⁰ 1/с - диапазон УКВ, а температуре человеческого тела соответствует частота 0,65·10¹³ - диапазон теплового инфракрасного излучения. Частота рождает энергию, массу и температуру! Рождает с разными константами перехода энергии. Энергия, рождённая при движении материального тела в ДУХ в виде квантов электромагнитного поля, определяется частотой колебаний в материальном мире.

Энергия - результат движения массы в среде ДУХ. Из этого вывода можно определить связь энтропии и характеристик среды ДУХ: магнитной - μ₀ и электрической - ε₀ постоянных среды. Выражая температуру, как кинетическую энергию частиц (рассматриваем физический смысл, поэтому в кинетической энергии опущено суммирование по частицам и коэффициент ½), и учитывая, что с² = (1/ ε₀μ₀), получим выражения:

mc² = ST,

S = mc²/T = mc²/mv² = (1/ ε₀μ₀) / v² ;

В разд. 4.2 показано, что физический смысл имеют обратные величины принятых в физике констант. 1/ μ₀ - это энергия поля (энергия в среде ДУХ), отнесённая к единице внесённой в него массы имеет размерность (м/с)². 1/ε₀ - есть отношение физической силы к электрической силе в определённой точке пространства и безразмерна. Поэтому энтропия есть коэффициент пропорциональности при передаче энергии единицы массы от среды ДУХ к частицам.

Энтропия связана с магнитной константой и может быть интерпретирована как безразмерный коэффициент передачи безмассового вращательного момента среды ДУХ материи.

Энтропия - это «коэффициент полезного действия» среды ДУХ в её связи с материей, безразмерный коэффициент преобразования в системе ДУХ волновой энергии в энергию движения материальных частиц - тепловую энергию.