Принцип возрастания энтропии. Соотношение порядка и беспорядка в природе.

“Второй закон термодинамики занимает особое место среди законов природы. Если Ваша теория противоречит второму закону, Ваше дело безнадежно” Артур Эддингтон (1882-1944).

Закон возрастания энтропии справедлив для изолированной системы. Согласно ему (второму закону термодинамики), упорядоченность изолированной системы должна убывать, при возрастании меры неупорядоченности – энтропия увеличивается.

В термодинамике уже в середине 19 века сложились четкие представления о направлении процессов, происходящих в окружающем мире и предопределяющих его эволюционных изменений.

2-ое начало термодинамики устанавливает направления протекания тепловых процессов в замкнутых системах. Именно в изолированных системах все процессы приводят к превращению любых видов энергии в энергию теплового, хаотического движения молекул, которую очень сложно использовать для получения полезной работы, т.е. происходит обесценивание энергии, и хаос в системе возрастает.

Таким образом, согласно 2-му закону эволюционный процесс в окружающей природе ведет к разрушению структур и господству хаоса, а запас энергии во Вселенной иссякает.

Ход событий во Вселенной невозможно повернуть вспять, чтобы воспрепятствовать возрастанию энтропии. Из этого следует необратимость тепловой смерти Вселенной – эволюция к состоянию однородности и равновесия, т.е. хаосу, при котором температура во всех точках Вселенной будет одинакова.

Но рассуждая подобным образом, возникают трудности мировоззренческого уровня. Как возникли структуры и макроскопическое движение? Единственно возможный ответ на этот вопрос: если структуры самостоятельно возникнуть не могут, то следовательно существует некий Творец, и мир имеет сверхъестественное происхождение.

Практически одновременно с началом развития термодинамики в 19-20 вв. стала развиваться эволюционная теория (прежде всего теория Дарвина). Она убедительно доказала, что эволюция Вселенной не приводит к снижению уровня организации и обеднению разнообразия форм материи. В биологической эволюции развитие идет от простого к сложному, от низших форм к высшим, от менее организованного к более организованному. Вселенная старея, обретает все более высокую организацию. Все это прямо противоположно критерию физической эволюции и его следствиям.

В первой половине 20 в. был произведен анализ понятия «изолированная система». Действительно, изолированной является система, не обменивающаяся с окружающей средой веществом, энергией и информацией. При внимательном рассмотрении выяснилось, что единственной изолированной системой, возможно, является Вселенная в целом.

Следовательно, чисто термодинамический подход не всегда справедлив, и в открытых системах возможны процессы усложнения структуры – самоорганизации.

На первый взгляд, живой организм существует вопреки термодинамике. Значит ли это, что живые организмы не подчиняются законам физики?

В открытой системе, то есть в системах, обменивающихся с окружающей средой веществом и энергией, возникают иные ситуации.

Живые системы (организмы → биосфера) являются открытыми.

Живой организм непрерывно создает:

· во-первых, порядок из порядка в смысле самовоспроизведения

· во-вторых, порядок из беспорядка в силу обмена веществ.

То есть из неупорядоченной системы малых молекул, получаемых организмом в процессе питания и дыхания, создается состояние высокой упорядоченности, то есть организм растет и развивается.

Для живых систем характерно возрастание общей энтропии системы, которая складывается

1) из уменьшения энтропии (S) живого организма,

2) из роста его упорядоченности

3) из увеличения энтропии (S) выделяемых веществ, то есть повышения общего беспорядка системы.

Резкое увеличение рассеяния тепла в окружающее пространство – диссипация энергии. Природная система обычно диссипативна, т.к. энергия в ходе процессов необратимо теряется, превращается в тепло, работу, что связано с необратимостью процессов и, как следствие, с необратимостью времени.

При полном отсутствии диссипации организация спонтанно возникнуть не может. Роль диссипации (роль Зла) – это роль фактора выедания лишнего и поэтому необходимого элемента развития мира. Диссипативные процессы, рассеяние – это макроскопическое проявление хаоса.

Деятельность человека (посадка, выращивание, переработка и приготовление пищевых продуктов) требует использование высококачественных ресурсов вещества и энергии, а в окружающую среду при этом выбрасываются тепло и отходы. Громадное количество тепловой энергии и отходов поступает в окружающую среду при эксплуатации богатых месторождений полезных ископаемых, промышленной их переработке или сжигания для отопления, при движении транспортных средств, строительстве и при производстве всего необходимого человеку.

Некоторые из подобных процессов способствуют созданию высокоорганизованных веществ, сложных органических молекул и развитию живых организмов, повышая этим степень порядка материи. Но одновременно эти же процессы сопровождаются увеличением энтропии окружающей среды.

Поэтому общее количество энтропии в виде низкокачественного тепла и неупорядоченного отходов вещества, которое образовалось при обеспечении жизнедеятельности какого-либо организма или при производстве всего необходимого, намного превышает масштабы создания при этом высокоорганизованного вещества и соответствующих запасов высококачественной энергии в вашем организме.

Таким образом, все формы жизни - это крошечные хранилища порядка, который поддерживается созданием океана беспорядка в окружающей их среде.

Основной характеристикой любого развитого промышленного общества является постоянное использование возрастающего притока высококачественной энергии и ресурсов вещества для того, чтобы на высоком уровне поддерживать порядок в отдельных человеческих организмах и в том, что называют цивилизацией.

Современное развитое промышленное общество способствует увеличению энтропии окружающей среды в очень больших масштабах (в большей степени, чем когда-либо в истории человечества).

Это явление можно назвать энтропийным капканом.

И если все большее и большее количество людей возрастающими темпами будет продолжать использовать ресурсы и создавать отходы, рано или поздно способность окружающей среды рассеивать и разрушать выброшенные вещества и поглощать выпущенное тепло окажется превышена на всех уровнях - локальном и глобальном.

По 2-му закону термодинамики избежать увеличения энтропии окружающей среды нельзя, но можно попытаться сократить или свести к минимуму то количество S, которое мы производим сами.

Одним из кардинальных решений проблемы отходов является преобразование общества, производящего отходы, в общество, утилизирующее отходы, то есть необходимо вторичное использование ресурсов вещества. Но общество, использующее свои отходы, должно обладать неисчерпаемыми источниками доступной высококачественной энергии, так как вторичная переработка вещества также требует затрат высококачественной энергии.

Наилучшим путем решения проблем сохранения окружающей среды и ее ресурсов является переход к природосберегающему обществу.

Согласно прогнозам, в соответствии с законом сохранения вещества и двумя началами термодинамики рано или поздно мы будем вынуждены во всем мире создать природосберегающее общество. Такое общество будет основываться на повышении эффективности использования энергии, сокращения ненужных затрат и потерь энергии, вторичном использовании ресурсов вещества, сокращения отходов производства.

Целью природосберегающего общества должно быть уменьшение энтропии. В основу его модели необходимо положить те же принципы, с помощью которых осуществляется устойчивое развитие живых организмов в природе. Это общество не должно ограничиваться решением проблем повторного использования ресурсов.