Национальный институт бизнеса

Национальный институт бизнеса

 

 

Факультет экономики и управления

Учебно-методический комплекс

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ СТУДЕНТАМ

по дисциплине

 

“КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ”

для студентов очной и очно-заочной (вечерней) форм обучения

по направлению подготовки бакалавров «Экономика» 080100

(приложение к рабочей учебной программе)

 

Автор-составитель: Гвоздкова И.А.

кандидат физико-математических наук,

доцент

 

Москва – 2011

 

Гвоздкова Ирина Александровна. Концепции современного естествознания. Методические указания студентам очной и очно-заочной (вечерней) форм обучения по направлению подготовки бакалавров «Экономика» - 080100

 

 

Рецензент: Паращук Д.Ю., доктор физико-математических наук, доцент физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова

 

Методические указания утверждены на кафедре информатики, прикладной математики и естественнонаучных дисциплин НИБ

 

Протокол № от

 

© И.А.Гвоздкова, 2011

© Национальный институт бизнеса, 2011

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

1. Введение……………………………………………………………………………….3

2. Задание для самостоятельной работы студентов ……………………….........3

3. Вопросы для самоконтроля и проверки качества знаний……………….........8

4. Справочные материалы ………………………………………………………….…9

5. Перечень тем рефератов и научно-исследовательских работ студентов…………………………………………………………………………….......60

6. Тесты для контроля за уровнем знаний по дисциплине……………………...62

 

Введение

Методические указания студентам по организации самостоятельной работы по дисциплине «Концепции современного естествознания» составлены в соответствии с рабочей учебной программой по данной дисциплине.

Самостоятельная работа студентов над учебным материалом состоит из следующих элементов:

- изучение материала по учебникам, учебным пособиям, конспектам лекций и по другим источникам;

- решение задач;

- самопроверка;

- выполнение контрольных работ;

- тестирование;

- подготовка сообщений, докладов, рефератов;

- подготовка к лекциям, семинарам и зачету.

Кроме этого, студент может обращаться к преподавателю с вопросами для получения консультации.

В ходе самостоятельной работы студенты используют имеющиеся в данных методических указаниях справочные материалы, вопросы для самоконтроля и проверки качества знаний и тесты для контроля за уровнем знаний по дисциплине.

2. Задание для самостоятельной работы студентов

 

А) При чтении лекций

 

Тема 1. РОЛЬ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ В РАЗВИТИИ СОВРЕМЕННОГО

ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА

В конспекте лекции рекомендуется раскрыть воздействие естествознания на мировую культуру, особенности современного постиндустриального (информационного) общества и роль естественнонаучной информации в его развитии, а также вопросы, связанные с использованием достижений естествознания в экономике, управлении и других профессиональных областях.

 

Ключевые слова: естественные науки, гуманитарные науки, культура, концепция, постиндустриальное (информационное) общество, естественно-научные открытия и информация, обновление технологий, подъемы в экономике, устойчивое развитие.

 

Задание для самостоятельной работы:

1.Изучить категориальный аппарат.

2.Доработать материалы лекции.

3.Подготовиться к семинару по теме. Быть готовым к обсуждению вопросов темы в ходе семинара. По согласованию с преподавателем рекомендуется подготовить сообщение, доклад или реферат по вопросам темы.

 

Тема 4. ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ

Тема 5. ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫЕ ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ СОВРЕМЕННЫХ

ТЕХНОЛОГИЙ

 

В конспекте лекции следует указать перспективы развития электронных и информационных технологий, нанотехнологий, технологий современной энергетики, химических технологий, биотехнологий, генных технологий. Особое внимание следует уделить вопросам использования достижений генетики и нейрофизиологии в совершенствовании технологий управления социально-экономическими системами, а также естественнонаучным основам технологий защиты окружающей среды и населения от возможных загрязнений, аварий, катастроф, стихийных бедствий.

 

Ключевые слова: электронные технологии, информационные технологии, нанотехнологии, энергетические технологии, химические технологии, синтетические материалы, биотехнологии, генные технологии, гены поведения, консерватизм, новаторство, полушарная специализация головного мозга человека, максимализм, минимализм, контекстная зависимость и независимость при принятии решений, самооценка, лидерство, конкуренция, сотрудничество, агрессия, ритмы продуктивности и творческой активности, физические поля естественного и техногенного происхождения, шум, вибрации, гравитация, электромагнитное излучение, радиация, температура, химические загрязнители окружающей среды, отравляющие вещества, радионуклиды, микроорганизмы, вирусы, глобальные экологические катастрофы, стихийные бедствия, аварии, астероидная безопасность, солнечные вспышки, взрывы сверхновых, вулканы, землетрясения, антропогенные воздействия, глобальные экологические проблемы, климат, парниковый эффект, кислотные осадки, озоновый слой, защита от облучения, защита от токсичных выбросов, солнечная активность, биосфера, малоотходные технологии, ресурсосбережение, средства индивидуальной защиты населения.

 

 

Задание студентам для самостоятельной работы:

1.Изучить категориальный аппарат.

2.Доработать материалы лекции.

3.Подготовиться к семинарам. Быть готовым к обсуждению вопросов по теме, к тестовому контролю, а также к выполнению контрольной работы.

 

БЕЗОПАСНОСТИ

 

В конспекте лекции следует раскрыть сущность опасностей и угроз, возникающих в процессе получения, обработки и дальнейшего продвижения естественнонаучной информации, а также указать способы сбора, анализа, обработки и хранения естественнонаучной информации, необходимой для решения поставленных профессиональных задач. Кроме этого, необходимо охарактеризовать естественнонаучные основы технологий информационной безопасности и защиты государственной тайны.

 

Ключевые слова: естественнонаучная информация и сопровождающие ее угрозы и опасности, естественнонаучные способы защиты информации, государственная тайна, информационная безопасность.

 

Задание студентам для самостоятельной работы:

1.Изучить категориальный аппарат.

2.Доработать материалы лекции.

3.Подготовиться к семинару (для студентов дневного отделения). Быть готовым к обсуждению вопросов по теме. По согласованию с преподавателем рекомендуется подготовить сообщение, доклад или реферат по вопросам темы.

 

Б) При подготовке к семинарским занятиям

 

Если по теме семинара подготовлены сообщение, доклад или реферат, необходимо проинформировать об этом преподавателя и проконсультироваться у него.

БЕЗОПАСНОСТИ.

Основная литература: 1,4,5,6.

Дополнительная литература: 2,3,4,6,7,11,12,13,14,16,18,20,27,29,31,33,35,36,

37,40,42,44,45.

Вопросы для самоконтроля и проверки качества знаний

1. Роль естествознания в развитии цивилизации.
2. Роль естественнонаучной информации в современном постиндустриальном обществе.
3. Роль глобальных выводов современного естествознания в формировании мировоззрения.

4. Примеры использования достижений естествознания при разработке новых технологий.

1. Общие закономерности природных и общественных систем.
2. Роль естествознания в обеспечении устойчивого развития.
3. Признаки научного знания и границы научного познания.
4. Метод научного познания. Схема научного познания.
5. Эмпирическое и теоретическое познание мира.

10. Научное моделирование и прогнозирование.

11. Особенности естественнонаучного познания.

12. Естественнонаучные и религиозные знания. Наука и псевдонаука.

13. Основные научные принципы и их использование в профессиональной деятельности.

14. Обработка результатов практических исследований. Погрешности измерений.

1. Научные гипотезы и теории. Научное открытие и доказательство.
2. Фундаментальные и прикладные проблемы естественных наук.
3. Тенденции развития науки.
4. Формирование научных программ.
5. Основные этапы и темпы развития естествознания.
6. Роль кризисов и революций в естествознании в развитии общества.
7. Отличительные черты современной науки и наукоемких технологий.
8. Основные естественнонаучные понятия: материя, энергия, движение, взаимодействие, пространство и время.
9. Виды материи.
10. Микро-, макро- и мегамиры.
11. Фундаментальные взаимодействия в природе.
12. Развитие представлений о пространстве и времени.
13. Фундаментальные законы и принципы естествознания.
14. Закон сохранения энергии.
15. Универсальные физические постоянные и свойства Вселенной.
16. Развитие представлений о движении.
17. Строение, превращение и происхождение вещества. Ядерные и химические процессы.
18. Разновидности химических процессов и закономерности их протекания.
19. Многообразие органических и неорганических соединений.
20. Особенности биологического уровня организации материи.
21. Развитие основных биологических концепций.
22. Тенденции развития макросистем в природе и обществе – самоорганизация и деградация.

37. Выводы термодинамики об эффективности техники и профессиональной деятельности.

38. Эффективность производства и потребления энергии.

39. Основные понятия синергетики.

40. Необратимость реальных процессов и концепция энтропии.

41. Хаос и порядок. Закономерное и случайное.

42. Необходимые условия и этапы самоорганизации.

43. Параметры порядка и принцип подчинения.

44. Энтропия и информация.

45. Самоорганизация в живой и неживой природе.

46. Развитие представлений о космосе. Структура и эволюция Вселенной.

47. Эволюция Земли.

48. Современные представления о происхождении жизни на Земле.

49. Эволюция биосферы. Проблемы формирования ноосферы.

50. Философские проблемы дальнейшей эволюции человека.

51. Естественнонаучные способы прогнозирования социально значимых проблем и процессов.

52. Естественнонаучные основы устойчивого развития.

53. Принципы универсального эволюционизма.

54. Перспективы и естественнонаучные проблемы развития электронных и информационных технологий.

55. Особенности современных нанотехнологий.

56. Технологии современной энергетики. Традиционные и нетрадиционные источники энергии.

57. Естественнонаучные проблемы развития ядерной энергетики.

58. Масштабы и проблемы химической индустрии.

59. Природные запасы и потребление органического и неорганического сырья.

60. Перспективные материалы и проблемы их получения.

61. Управление биологическими процессами. Генные технологии.

62. Естественнонаучные основы разработки способов предупреждения и лечения инфекционных заболеваний.

63. Проблемы развития генной медицины.

64. Достижения современной генетики.

65. Естественнонаучные предпосылки продления жизни человека.

66. Трансгенные живые организмы и перспективы их использования для увеличения продовольственных ресурсов.

67. Нерешенные проблемы клонирования и терапевтического клонирования.

68. Роль естественнонаучной информации в прогнозировании состояния здоровья населения.

69. Наследственные и ненаследственные особенности стилей мышления, поведения и принятия решений в обществе.

70. Гены поведения.

71. Естественнонаучные основы консерватизма и новаторства в обществе.

72. Естественнонаучные основы максимализма и минимализма.

73. Гендерные особенности принятия управленческих решений.

74. Естественнонаучные принципы лидерства и власти.

75. Биологические основы конкуренции, агрессии и сотрудничества в обществе.

76. Ритмы продуктивности, творческой активности и социально-психологического климата.

77. Физические факторы окружающей среды и их воздействие на человека.

78. Химические факторы окружающей среды и их воздействие на человека.

79. Биологические факторы окружающей среды и их воздействие на человека.

80. Геологические факторы окружающей среды и их воздействие на человека.

81. Естественнонаучные основы прогнозирования аварий, катастроф и стихийных бедствий.

82. Космическое и внутрипланетарное воздействие на биосферу.

83. Естественнонаучные основы глобальных экологических проблем.

84. Природные катастрофы, изменение климата и эволюция жизни.

85. Естественнонаучные проблемы и способы защиты населения и окружающей среды.

86. Воздействие солнечной активности на биосферу.

87. Перспективные материалы, технологии и сохранение биосферы.

88. Проблемы и принципы современной биоэтики.

89. Глобализация биосферных процессов.

90. Виды опасностей и угроз, связанных с естественнонаучной информацией.

91. Роль фундаментальных естесвеннонаучных принципов в обеспечении информационной безопасности.

92. Естественнонаучные основы технологий информационной безопасности и защиты государственной тайны.

Справочные материалы

ПРОСТРАНСТВЕ И ВРЕМЕНИ

Материя, энергия, движение, пространство и время являются основными понятиями физики. Физика изучает общие природные закономерности, к которым относятся и самое простое механическое движение материальной точки и такие сложные процессы, в результате которых могут возникать живые организмы. От уровня развития физических знаний зависит и мировоззрение в обществе и технологии, имеющиеся в нем.

Новые открытия в области физики меняли и будут менять в будущем устоявшиеся представления об окружающем мире. На основе этих открытий создавались и будут создаваться новые картины мира и новые технологии.

Материя – это то, что существует реально, воздействует на органы чувств человека и на другие природные объекты. Понятие материи в истории науки не раз уточнялось. Этому способствовали новые открытия в области физики.

Вначале материей считали только вещество (т.е. то, что имеет массу). В это время материи противопоставляли сознание (т.е. то, что не имеет массы). Именно поэтому в философии сформировались два противоположных направления – материализм и идеализм. Материалисты считали первичной материю, идеалисты – сознание (дух). Вещество – первый вид материи.

Второй вид материи (физическое поле, или просто поле) открыли в первой половине ХIX века. Поле не имеет массы покоя, существует только в движении, создается вещественными объектами и обнаруживается также по действию на вещественные объекты. Поле – это то, посредством чего вещественные объекты определенного типа воздействуют на другие вещественные объекты такого же типа (например, любая масса воздействует на другую массу при помощи гравитационного поля, любой электрический заряд воздействует на другой электрический заряд путем электрического поля и т.д.).

В классической физике, которая изучает объекты макромира и мегамира, вещество и поле противопоставлены друг другу.

Макромир – это привычный нам мир макрообъектов (машин, людей, других живых организмов и т.д.), в котором действуют законы классической механики, электродинамики, термодинамики. Мегамир – это мир планет, звезд, галактик. Микромир – это мир молекул, атомов и элементарных частиц, в котором действуют законы квантовой физики.

В квантовой физике, созданной вХХ в., считается, что поле представляет собой поток особых частиц, которые называются квантами поля (т.е. порциями поля). Например, кванты электромагнитного поля называют фотонами (они экспериментально обнаружены), кванты гравитационного поля называют гравитонами (они экспериментально не зарегистрированы).

Если у частицы нет массы покоя, то она находится все время в состоянии механического движения. В вакууме лишенные массы покоя кванты полей двигаются со скоростью света с=3·10⁸ м/с. В веществе скорость распространения квантов поля меньше скорости света в вакууме, т.к. вещество оказывает сопротивление любому движению.

Известно 4 вида полей и 4 вида соответствующих фундаментальных взаимодействий: гравитационное; электромагнитное; сильное (ядерное) и

слабое (проявляется в процессах b-распада ядер атомов и некоторых элементарных частиц (например, нейтронов)).

Впервые понятие «поле» введено в первой половине ХIХ в. английским физиком М.Фарадеем (1791-1867) при изучении электрических и магнитных явлений.

В ХХ в. был выделен 3-й вид материи – физический вакуум. До начала 30-х гг. ХХ в. считалось, что вакуум - это пустота (т.е. область пространства, где нет вещества и поля). Французские ученые Ирен (1897-1956) и Фредерик (1900-1958) Жолио-Кюри обнаружили, что из вакуума при определенных условиях (при поглощении гамма-кванта электромагнитного поля) могут рождаться вещество и поле. Причем возникновение вещества наблюдается в виде пар: частица + античастица. Например, можно наблюдать появление из вакуума пары электрон+позитрон (позитрон – античастица электрона):

Электрон	Позитрон
e¯ = - 1.6 · 10^-19 Кл (электрический заряд)	e^+ = 1.6 · 10^-19 Кл (электрический заряд)
m e¯ = 9.1 · 10^-31 кг (масса покоя)	m e+ = 9.1 · 10^-31 кг (масса покоя)

Античастицы имеют такие же характеристики, как и соответствующие им частицы, за исключением знаков всех зарядов.

Появление электрона и позитрона из вакуума означает, что одновременно с ними возникают электромагнитное и гравитационное поля.

Впоследствии было установлено, что вакуум может забирать обратно вещество и поле. Процесс взаимного уничтожения частицы античастицей, сопровождаемый рождением кванта поля, называется аннигиляцией.

Вакуум является исходным видом материи, первичным по отношению к веществу и полю.

Все виды материи обладают энергией. Следовательно, можно утверждать, что материально то, что обладает энергией. В начале ХХ века А.Эйнштейн (1879-1955) предложил универсальную формулу, связывающую массу с энергией:

 

E = mc²,

 

где с – скорость света в вакууме, равная 3 · 10⁸ м/с.

Энергия покоящегося объекта: E_пок = m_пок · с² (где m_пок – масса покоя). Энергия покоя пары электрон + позитрон: E_{e- + e+} = 2m_ec².

В природе действует закон сохранения энергии, согласно которому энергия не исчезает и не создается, а переходит из одной формы в другую. Этот закон является обобщением опытных данных. Количественная формулировка закона сохранения энергии была дана в ХIX в. немецкими учеными Р.Майером (1814-1878) и Г.Гельмгольцем (1821-1894), однако идея этого закона была выдвинута еще в ХVIII в. русским ученым М.В.Ломоносовым (1711-1765) после того, как он установил закон сохранения массы в химических реакциях.

Принципиальным отличием вещества от поля является то, что вещественные объекты не могут двигаться со скоростью света в вакууме. С такой скоростью могут двигаться в вакууме только кванты поля. Скорость света в вакууме – предельная скорость передачи взаимодействий в нашей Вселенной.

Движение – это: 1) любое изменение, происходящее в окружающем мире;2)форма существования материи.Существуют различные виды движения (возможно существование и неоткрытых видов): механическое; тепловое; ядерное; биологическое; социальное и т.д.

Пространство – это философская категория, вводимая для обозначения порядка расположения объектов в окружающем мире.

Время – это философская категория, которая вводится для обозначения порядка следования процессов в окружающем мире.

До начала ХХ века считалось, что пространство и время первичны по отношению к материи и что они могут существовать независимо от нее. Такое представление о пространстве и времени сформировалось в античное время и было закреплено в классической механике И.Ньютоном (1643-1727) в ХVII веке.

И.Ньютон полагал, что пространство может быть и пустым (без материальных объектов) и что время всегда и везде идет одинаково.

После создания в начале ХХ в. специальной (1905 г.)и общей (1916 г.) теорий относительности(СТО и ОТО) было установлено, что материя формирует вокруг себя пространство и время и что без материи их быть не может.

Любая масса своим гравитационным полем искривляет вокруг себя пространство (в искривленном пространстве не может быть плоскостей и прямых линий) и замедляет время по сравнению с тем временем, которое формируется вблизи массы с меньшей гравитацией. Выводы о гравитационном замедлении времени и искривлении пространства были получены в ОТО.

Из СТО следует, что при движении время замедляется, а пространство в направлении движения сжимается. Замедление времени и сжатие пространства, связанные с движением, называются релятивистскими, т.к. они тем заметнее, чем ближе скорость движения к скорости света в вакууме.

Для пространства и времени характерна симметрия. Симметрия пространства проявляется в его однородности и изотропности, а симметрия времени – в его однородности.

Однородность пространства – это независимость хода физических процессов от выбора начала отсчета координатной системы (ход физического процесса не зависит от того, где будет находиться наблюдатель за ним).

Изотропность пространства – это независимость хода физических процессов от выбора направления осей координатной системы (ход физического процесса не зависит от того, в каком направлении будут за ним наблюдать).

Однородность времени – это независимость хода физических процессов от выбора начала отсчета времени (ход физического процесса не зависит от того, когда за ним начали наблюдать).

Симметрия пространства и времени свидетельствует о первичности физических законов по отношению к наблюдателю.

Немецкий математик Э.Нетер (1882-1935) доказала теорему, согласно которой с однородностью пространства связан закон сохранения импульса, с изотропностью пространства - закон сохранения момента импульса, а с однородностью времени - закон сохранения энергии.

 

РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ ОБ ЭВОЛЮЦИИ МАКРОСИСТЕМ

Общие положения. Эволюция - это изменения в окружающем мире. Любой эволюционный процесс характеризуется определенной направленностью, а свойства явлений и процессов на каждом уровне организации материи определяются результатом предшествующего развития.

Первые эволюционные взгляды возникли в глубокой древности. В ионийской школе древнегреческой философии, представителями которой были Фалес, Анаксимандр, Анаксимен, Гераклит Эфесский, Диоген Аполлонийский, были выдвинуты идеи о развитии мира из хаоса. В античной эстетике хаос, с которым связывалось нечто бесформенное, расплывчатое и неопределенное, противопоставлялся гармонии, означающей определенность, единство и наличие формы. Гераклит (конец VI - начало V вв. до н.э.), утверждая, что «все течет» и «в одну реку нельзя войти дважды», одним из первых сформулировал принцип эволюции, сущность которого заключается в неизбежности развития.

Философы Средневековья считали гармоническую организацию мира результатом творения бога, а мыслители эпохи Возрождения - результатом развития творческих начал самой природы и общества, результатом единства телесного и духовного, материального и идеального.

В западноевропейской философии ХVII-ХIХ вв. идеи об универсальных структурообразующих и эволюционных закономерностях в природе и обществе получили дальнейшее развитие. Немецкий философ Г. Гегель (1770-1831) установил, что источником развития является противоречие, и сформулировал три основных закона диалектики (учения о развитии): закон перехода количественных изменений в качественные, закон единства и борьбы противоположностей и закон отрицания отрицания. Он писал: «Всякое явление противоречиво в том смысле, что оно само из себя развивает те элементы, которые рано или поздно положат конец его существованию, превратят его в собственную противоположность. Все течет, все изменяется, и нет силы, которая могла бы задержать это постоянное течение, остановить это вечное движение; нет силы, которая могла бы противиться диалектике явлений».

Большое значение для развития эволюционных взглядов имели учения об изменчивости и приспособлении живых организмов на Земле, первые из которых сформировались в античное время.

Современным естественно-научным представлениям об эволюции макросистем и о ее возможных направлениях предшествовали две научные теории, созданные в XIX в., - классическая термодинамика и учение Ч. Дарвина о биологической эволюции.

Классическая термодинамика изучает процессы развития в изолированных (замкнутых)макросистемах (природная макросистема содержит огромное число частиц N (N ≥ N_А, где N_А=6.02·10²³ моль^-1 - число Авогадро); в обществе макросистемой можно считать систему, в которой содержится около 100 элементов и более) вблизи состояния термодинамического равновесия. Замкнутой называется система, которая не обменивается веществом, энергией или информацией с окружающей средой.

Второе начало, или второй закон термодинамики, устанавливает, что любая замкнутая макросистема с течением времени переходит в состояние равновесия и не может его покинуть без внешних организующих воздействий.

В равновесном состоянии в системе устанавливается наибольший беспорядок, а упорядоченные процессы отсутствуют. Количественной мерой беспорядка в любой системе является специальная величина, называемая энтропией и обозначаемая S. Понятие энтропии было введено немецким физиком Р.Клаузиусом (1822-1888) в 1865 г. Чем больше беспорядка в системе, тем выше ее энтропия. В физике энтропия определяется как отношение энергии беспорядочных процессов, происходящих в системе, к ее абсолютной температуре (абсолютная температура – это температура, выраженная в кельвинах). Энтропия системы равна сумме энтропий ее частей. Приборов, измеряющих эту величину, нет. Рассчитать энтропию количественно можно только для самых простых систем, близких к состоянию равновесия. Согласно второму закону термодинамики, который также называют законом роста энтропии, энтропия замкнутых систем либо не изменяется (в равновесном состоянии), либо возрастает и достигает своего максимального значения в состоянии равновесия. Нулевая энтропия соответствует отсутствию беспорядочных процессов, т.е. абсолютному порядку. Таким образом, энтропия является неотрицательной величиной.

Второе начало термодинамики сформулировано как фундаментальный закон природы французским физиком Н.Л.С.Карно (1796-1832) в 1824 г., Р.Клаузисом в 1850 г. и английским физиком У.Томсоном (бароном Кельвином) (1824-1907) в 1851 г. в различных, но эквивалентных формулировках. Р.Клаузиус сформулировал его следующим образом: невозможен процесс, единственным результатом которого была бы передача тепла от менее нагретого тела к более нагретому. Это утверждение является обобщением опытных данных о том, что в естественных условиях тепло самопроизвольно всегда переходит от системы с большей температурой к системе с меньшей температурой. Согласно формулировке У.Томсона, невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы превращение тепловой энергии (энергии беспорядочного движения атомов и молекул в веществе) в упорядоченную работу (часть тепла при этом будет рассеяна в окружающей среде). Н.Л.С.Карно первым изучил общие принципы работы тепловых машин – устройств, преобразующих тепло в механическую работу. В них тепловая энергия перемещается от горячего тела (например, от пара) к холодному (например, к воде), и при этом часть тепла переводится в механическую работу.

Из второго закона термодинамики следует невозможность создания вечного двигателя 2-го рода, т.е. устройства, которое в результате кругового процесса полностью преобразовывало бы теплоту в работу, что эквивалентно совершению полезной работы за счет энергии системы, находящейся в состоянии равновесия. Поэтому чтобы совершить механическую работу за счет тепла, полученного от внешнего источника, необходимо заставить контактировать этот источник (нагреватель) с охладителем. Только в такой неравновесной системе в процессе теплообмена между ее частями (нагревателем, рабочим телом и охладителем) можно часть тепловой энергии перевести в работу.

Из невозможности создания вечного двигателя второго рода следует теорема Карно, сущность которой в том, что коэффициент полезного действия (отношение полезной работы к затраченной энергии) любого теплового двигателя не превосходит величины h=(Т₁-Т₂)/Т₁ (Т₁ – температура нагревателя, Т₂ – температура охладителя). Величину для максимального КПД тепловых машин Карно получил в ходе исследования возможностей повышения эффективности действия реальных тепловых машин.

Второе начало термодинамики можно также сформулировать и так: нельзя извлечь полезную работу из системы, имеющей один энергетический уровень. Состояние термодинамического равновесия макросистемы характеризуется определенным значением тепловой энергии, которая однозначно связана с температурой системы (температура пропорциональна средней кинетической энергии беспорядочного (теплового) движения молекул). Поэтому извлечь тепло такой макросистемы и перевести его в работу (что эквивалентно созданию вечного двигателя 2-го рода) в соответствии со вторым началом термодинамики невозможно. Но если в системе существуют, например, два энергетических уровня, то энергия может переходить с более высокого уровня на более низкий. В соответствии с выражением для максимального КПД тепловых машин, полученным Карно, в изолированной тепловой машине со временем разность Т₁-Т₂ будет уменьшаться, т.к. тепло необратимо будет перетекать от нагревателя к холодильнику, пока их температуры не станут равными. А это означает, что доля запасенной в такой машине тепловой энергии, которую можно перевести в работу, постепенно будет уменьшаться. Доля же тепловой энергии, недоступной для такого превращения, со временем будет увеличиваться. Все это свидетельствует о том, что замкнутая неравновесная система постепенно перейдет в равновесное состояние, энергия которого недоступна для превращения в работу.

Существование в системе различных энергетических уровней можно рассматривать как наличие в ней определенной структуры, порядка. Выравнивание энергий эквивалентно разрушению структуры в системе, т.е. переходу от порядка к беспорядку. Поэтому, когда энергия в системе осуществляет переход в направлении, определяемом вторым началом термодинамики, беспорядок, который соответствует максимальной выравненности и симметрии, в ней увеличивается.

Австрийский физик Л. Больцман (1844-1906) дал статистическое обоснование второго закона термодинамики: природные процессы стремятся перевести макросистему из менее вероятного (с меньшим беспорядком) в более вероятное состояние (с большим беспорядком). Таким образом, любой порядок стремится к беспорядку, а полный беспорядок может перейти в порядок только при внешних воздействиях. Энтропия – статистическое понятие, которое используется для характеристики большой совокупности объектов. Для отдельных элементов это понятие не имеет никакого смысла. Второе начало термодинамики также является статистическим законом. Оно определяет тенденцию развития макросистем в природе и обществе. Однако в отдельных случаях энтропия системы может самопроизвольно уменьшаться. Т.е. отклонения от второго начала термодинамики возможны, но маловероятны.

Статистический (вероятностный) смысл энтропии, который установил Л.Больцман, выражается следующей формулой:

S=k lnГ,

 

где S – энтропия, k – постоянная Больцмана, равная 1.38·10^-23 Дж/К, Г – термодинамическая вероятность, или статистический вес состояния системы, равный числу способов, которыми можно реализовать данное макросостояние системы. Окончательный вид взаимосвязи энтропии с термодинамической вероятностью в виде представленной формулы установил немецкий физик М.Планк (1858-1947).

Второе начало термодинамики установило необратимость и направленность реальных термодинамических, а затем и большинства других природных процессов. Необратимость означает невозможность вернуться в прошлое (абсолютно точно повторить его), что связано с наличием стрелы времени, т.е. несимметричностью процессов во времени. Например, тепло самопроизвольно не может переходить от более холодного тела к более горячему; все люди с возрастом стареют; никто не наблюдал переход звезд со стадии термоядерного синтеза гелия из водорода на стадию протозвезды; любое взаимодействие измерительного прибора с объектом измерения нарушает его первоначальное состояние и т.д. Необратимый рост энтропии ведет к распаду (смерти) макросистемы.

Вначале закономерности развития макросистем были исследованы при изучении тепловых явлений. Затем было показано, что аналогичные процессы происходят в любых макросистемах в природе и обществе. Второе начало термодинамики устанавливает ограничения на возможность перехода беспорядка в порядок и, в частности, на превращение тепла в работу, и задает общее направление природных и общественных процессов – направление в сторону роста энтропии.

Второй закон термодинамики определяет необратимый характер эволюции замкнутых систем. У.Томсон и Р.Клаузиус, применив его к развитию Вселенной, которую они считали изолированной системой, пришли к выводу о неизбежности ее тепловой смерти, т.е. о неизбежности ее перехода в равновесное состояние. Однако в настоящее время считается, что наша Вселенная не является замкнутой системой (из квантовой теории поля следует, что она взаимодействует с физическим вакуумом; существует популярная современная гипотеза о том, что есть и другие вселенные, с которыми наша Вселенная может взаимодействовать). Поэтому тепловая смерть в ближайшее время ей не грозит.

Большинство систем в природе и обществе далеки от состояния равновесия. Это связано с