Энтропия, Беспорядок, Порядок и Хаос.

В известной книге «Порядок из Хаоса»,показано, что «источником порядка является неравновесность. Неравновесность есть то, что порождает «порядок из хаоса». В своей последней книге [11, с.108], Пригожин формулирует: «Необратимые процессы служат той движущей силой, которая создает порядок». Возникает дилемма, что же формирует Порядок: неравновесность или необратимость (трение)?

Рассмотрим этот вопрос с точки зрения 3-го принципа Карно (синергетики).

Понятия Порядка, Беспорядка, Хаоса и Динамического Хаоса, объединяющие живую и неживую природу, имеют фундаментальное значение.

Понятие Динамического Хаоса не имеет общего решения в классической термодинамике. Динамический хаос — это неуправляемый всплеск эксергии, явление в теории динамических систем, при котором поведение нелинейной системы выглядит случайным, несмотря на то, что оно определяется детерминистическими законами. В качестве синонима часто используют название детерминированный хаос. Это явление лежит вне данной работы.

С тех пор как Л.Больцман (1844 – 1906) ввёл в 1872 г. статистическое определение энтропии, энтропию принято считать мерой беспорядка системы. В соответствии с этим увеличение энтропии увеличение энтропии принято считать мерой беспорядка, разрушение любой когерентности, которая могла быть в начальном состоянии.

Понятия: Порядка и Беспорядка и Хаоса – привычно используются для описания состояния термодинамической системы. К самоорганизации способны открытые неравновесные системы, обменивающиеся энергией с внешней средой при подводе энергии к системе. Эволюцию таких систем можно рассматривать как спектр переходов Хаос → Беспорядок → Порядок.

В термодинамике понятия «хаос», являются фундаментальными. Мерой хаотичности является функция состояния энтропия (S). За начало отсчета степени хаотичности принято «тепловое равновесное состояние», и Хаосу соответствует экстремальное состояние при S = S_max. По мере удаления от этого значения энтропия уменьшаются (система упорядочивается) и новым экстремальным состоянием станет Порядок, при S = 0. Пространство промежуточных состояний 0 < S < S_max, именуется Беспорядком.

Каждому состоянию упорядоченности соответствует своя энергетическая вариация:

• Хаосу соответствует анергия термостата (Q_о = Т_о∆S);

• Порядкусоответствует работоспособность или эксергия(Æ= –∆G);

• Беспорядкусоответствуетвариацияэнтальпия или тепловой эффект(–∆Н = Q₁) = Æ + Q_о.

Так как в физике возможно только два закона движения: затухающее или периодическое, то принципиально возможно только те же два процесса формирования Порядка.

Согласно Второму Началу термодинамики (Клаузиус-Пригожин),максимальная работоспособность (эксергия Æ)термодинамической системы, соответствует прямому циклу Карно (ПЦК) и определяется выражением Æ = Q₁ – Q_о,где Q₁ – сумма анергии и эксергии. Согласно Второму началу, эксергию можно получить только из беспорядка, а Цикл Карно является сепаратором, а не преобразователем движения. Все процессы приводят к монотонному росту энтропии.

Для иллюстрации фундаментальных понятий: Порядок, Беспорядок и Хаос, нужен пример, где присутствуют все три этих явления. Рассмотрим этот тезис на основе ячеек Бенара.

Самым давним примером такого класса явлений принято считать так называемую конвекционную неустойчивость Бенара, или ячейки Бенара. Что это такое, видно из элементарного опыта, если налить на сковородку слой растительного масла, то после достаточного нагрева в жидкости начнется конвективное движение и она разобьется на правильные ячейки, подобные пчелиным сотам. Суть эффекта в том, что после подвода и последующего отвода энергии в открытой системе образуется некая объёмная структура (когерентное движение). В системе имеются нагреватель (Т₁), холодильник (Т_о) и рабочее тело (масло). Тогда энергетический баланс процесса согласно методу Гиббса, таков:

Беспорядок ( ∆ Н⁻) = Порядок ( ∆ G⁻) + Хаос (T_о ∆ S) или ∆ Н⁻ = ∆ G⁻ + T_о ∆ S.

Этот процесс аналогичен прямому циклу Карно: ∆ G⁻ = ∆ Н⁻ − T_о ∆ S.

Ячейки Бенара иллюстрируют возможности второго начала по разделению Порядка и Хаоса из Беспорядка. Очевидно, что в цикле Карно производство Хаоса лежит в процессах поддержания температуры горячего источника на горячей границе системы, и предшествует производству эксергии, являясь необходимостью, а не следствием производства. Таким образом, сжигание энергоносителей и производство Хаоса, есть прямое следствие использование прямого цикла Карно. Другим необходимым процессом является теплоотвод из системы через холодную границу. При недостаточном отводе тепла, возникнет перегрев системы, с соответствующими последствиями. В таком процессе, чем больше производительность системы, тем страшнее ущерб наносимый природе. Адекватно и другое, чем больше активности проявляет страна, тем больше Хаоса она должна выделять за пределы своих границ, что бы не «перегреться». В этом есть суть и физическое отражение известного «Закона управляемого Хаоса»[45].

Теория деградации, каковой является второе начало термодинамики, не должна и не может описать феномен самоорганизации «Порядка из Хаоса». Для этого нужна новая термодинамическая теория, содержащая возможность создания структур, способных осуществлять переход в Порядок из Хаоса. Такая теория (в рамках термодинамики) может быть создана только на идеях Гиббса-Ландау, с использованием приёмов синергетики (совместного действия).

Согласно метода Гиббса наблюдается обратимость тепловых процессов . Это циклический процесс производства Порядка из Хаоса. Для равновесной системы, связанной потенциальными силами, средняя кинетическая и потенциальная энергии связаны вириальным соотношением. При любом возмущении кинетическая энергия сначала возрастает, затем происходит релаксация, и система возвращается в равновесное состояние: без компенсации нет релаксации. Собственно, таким образом, и происходит движение энергии и циклическое возрастание энтропии.

Этот процесс базируется на третьем принципе Карно и композитном цикле Карно. Аппаратной реализацией этого принципа являются монотермические двигатели ЭХУ и ЭНУ.

Объединение динамики и термодинамики, позволяет расширить диапазон видов природного движения и выделить шесть основных типов движения систем.

• Движение в закрытой системе с использованием прямого цикла Карно (принцип «движущей силы огня»), приводит к деградации системы. 2-й закон термодинамики.

• Движение в открытой системе с использованием прямого цикла Карно (принцип «движущей силы огня»), приводит к движению системы по типу «Управляемый Хаос» и деградации окружающей среды, за счёт отходов и вредностей процесса. 2-й закон термодинамики.

• Движение в закрытой системе с использованием композитного цикла Карно (Принцип динамического равновесия), приводит к автоколебательному движению системы: «Порядок из Хаоса». Синергетика.

• Движение в открытой системе с использованием композитного цикла Карно (Принцип динамического равновесия), при управляемом подводе энергии, приводит к автоколебательному движению системы: «Порядок из Хаоса». Синергетика.

• Движение в открытой системе с использованием композитного цикла Карно (Принцип динамического равновесия), при чрезмерном подводе энергии приводит к движению системы по типу «Динамический Хаос». Синергетика.