Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Процесс, который нельзя обратить вспять
Process that cannot be undone
В науке процесс, который не является обратимым, называется необратимым. Эта концепция часто встречается в термодинамике. Все сложные природные процессы необратимы, хотя фазовый переход при температуре коэкзистенции (например, таяние кубиков льда в воде) хорошо аппроксимируется как обратимый. В термодинамике изменение термодинамического состояния системы и всей ее окрестности нельзя точно восстановить в исходное состояние посредством бесконечно малых изменений в некоторых свойствах системы без затрат энергии. Система, которая претерпевает необратимый процесс, все же может быть способна вернуться в свое исходное состояние. Поскольку энтропия является функцией состояния, изменение энтропии системы одинаково, независимо от того, является ли процесс обратимым или необратимым. Однако, невозможность возникает при восстановлении окружающей среды в ее первоначальные условия. Необратимый процесс увеличивает общую энтропию системы и ее окружения. Второй закон термодинамики может быть использован для определения, является ли гипотетический процесс обратимым или нет. Интуитивно, процесс обратим, если нет диссипации. Например, расширение Жоуля необратимо, потому что изначально система неоднородна. Сначала есть часть системы с газом, а часть – без газа. Для возникновения диссипации необходима такая неоднородность. Это аналогично ситуации, когда в системе одна часть газа горячая, а другая – холодная. Тогда произойдет диссипация; распределение температуры станет равномерным без совершения работы, и это будет необратимо, поскольку невозможно будет добавить или удалить тепло или изменить объем, чтобы вернуть систему в ее исходное состояние. Таким образом, если система всегда однородна, то процесс обратим, то есть систему можно вернуть в ее исходное состояние, либо добавляя или удаляя тепло, совершая работу над системой, либо позволяя системе совершать работу. В качестве другого примера, чтобы аппроксимировать расширение в двигателе внутреннего сгорания как обратимое, мы бы предположили, что температура и давление равномерно изменяются по всему объему после искры. Очевидно, это не так, и существует фронт пламени и иногда даже детонация. Одна из причин, по которой дизельные двигатели могут достигать более высокой эффективности, заключается в том, что сгорание происходит гораздо более равномерно, поэтому меньше энергии теряется на диссипацию, и процесс ближе к обратимому. Феномен необратимости обусловлен тем, что если термодинамическая система, то есть любая система достаточной сложности, состоящая из взаимодействующих молекул, переходит из одного термодинамического состояния в другое, конфигурация или расположение атомов и молекул в системе изменяется таким образом, который трудно предсказать. Определенная "энергия преобразования" будет затрачена, поскольку молекулы "рабочего тела" совершают работу друг над другом при переходе из одного состояния в другое. В ходе этой трансформации произойдет некоторая потеря тепловой энергии или диссипация из-за межмолекулярного трения и столкновений. Эта энергия не будет восстановлена, если процесс будет обращен. Многие биологические процессы, которые когда-то считались обратимыми, на самом деле оказались сочетанием двух необратимых процессов. В то время как ранее считалось, что один фермент катализирует как прямые, так и обратные химические изменения, исследования показали, что для выполнения двух термодинамически необратимых процессов обычно требуется два отдельных фермента с похожей структурой.
In science, a process that is not reversible is called irreversible. This concept arises frequently in thermodynamics. All complex natural processes are irreversible, although a phase transition at the coexistence temperature (e. g. melting of ice cubes in water) is well approximated as reversible. In thermodynamics, a change in the thermodynamic state of a system and all of its surroundings cannot be precisely restored to its initial state by infinitesimal changes in some property of the system without expenditure of energy. A system that undergoes an irreversible process may still be capable of returning to its initial state. Because entropy is a state function, the change in entropy of the system is the same whether the process is reversible or irreversible. However, the impossibility occurs in restoring the environment to its own initial conditions. An irreversible process increases the total entropy of the system and its surroundings. The second law of thermodynamics can be used to determine whether a hypothetical process is reversible or not. Intuitively, a process is reversible if there is no dissipation. For example, Joule expansion is irreversible because initially the system is not uniform. Initially, there is part of the system with gas in it, and part of the system with no gas. For dissipation to occur, there needs to be such a non uniformity. This is just the same as if in a system one section of the gas was hot, and the other cold. Then dissipation would occur; the temperature distribution would become uniform with no work being done, and this would be irreversible because you couldn't add or remove heat or change the volume to return the system to its initial state. Thus, if the system is always uniform, then the process is reversible, meaning that you can return the system to its original state by either adding or removing heat, doing work on the system, or letting the system do work. As another example, to approximate the expansion in an internal combustion engine as reversible, we would be assuming that the temperature and pressure uniformly change throughout the volume after the spark. Obviously, this is not true and there is a flame front and sometimes even engine knocking. One of the reasons that Diesel engines are able to attain higher efficiency is that the combustion is much more uniform, so less energy is lost to dissipation and the process is closer to reversible. The phenomenon of irreversibility results from the fact that if a thermodynamic system, which is any system of sufficient complexity, of interacting molecules is brought from one thermodynamic state to another, the configuration or arrangement of the atoms and molecules in the system will change in a way that is not easily predictable. Some "transformation energy" will be used as the molecules of the "working body" do work on each other when they change from one state to another. During this transformation, there will be some heat energy loss or dissipation due to intermolecular friction and collisions. This energy will not be recoverable if the process is reversed. Many biological processes that were once thought to be reversible have been found to actually be a pairing of two irreversible processes. Whereas a single enzyme was once believed to catalyze both the forward and reverse chemical changes, research has found that two separate enzymes of similar structure are typically needed to perform what results in a pair of thermodynamically irreversible processes.
Абсолютная и статистическая обратимость
Термодинамика определяет статистическое поведение большого числа сущностей, точное поведение которых описывается более специфическими законами. Хотя фундаментальные теоретические законы физики являются обратимыми по времени, экспериментально вероятность реальной обратимости мала, и прежнее состояние системы и окружения восстанавливается лишь в определенной степени (см.: принцип неопределенности). Термодинамическая обратимость должна носить статистический характер; то есть, снижение энтропии системы должно быть лишь крайне маловероятным, но не невозможным. Иными словами, обратимость по времени выполняется, если процесс протекает одинаково, как если бы время текло в обратном направлении, или если порядок состояний в процессе был бы изменен на обратный (последнее состояние становится первым и наоборот).
Thermodynamics defines the statistical behaviour of large numbers of entities, whose exact behavior is given by more specific laws. While the fundamental theoretical laws of physics are all time reversible, experimentally the probability of real reversibility is low and the former state of system and surroundings is recovered only to certain extent (see: uncertainty principle). The reversibility of thermodynamics must be statistical in nature; that is, it must be merely highly unlikely, but not impossible, that a system will lower in entropy. In other words, time reversibility is fulfilled if the process happens the same way if time were to flow in reverse or the order of states in the process is reversed (the last state becomes the first and vice versa).
История
Немецкий физик Рудольф Клаузиус в 1850-х годах впервые математически выразил открытие необратимости в природе, введя понятие энтропии. В своих мемуарах 1854 года "О модифицированной форме второй фундаментальной теоремы в механической теории тепла" Клаузиус утверждает:
The German physicist Rudolf Clausius, in the 1850s, was the first to mathematically quantify the discovery of irreversibility in nature through his introduction of the concept of entropy. In his 1854 memoir "On a Modified Form of the Second Fundamental Theorem in the Mechanical Theory of Heat," Clausius states:
Проще говоря, Клаузиус утверждает, что невозможно для системы передавать тепло от более холодного тела к более горячему телу. Например, чашка горячего кофе, помещенная в помещение комнатной температуры (~72 °F), будет передавать тепло в окружающую среду и, тем самым, остывать, незначительно повышая температуру комнаты (до ~72,3 °F). Однако, та же самая исходная чашка кофе никогда не будет поглощать тепло из окружающей среды, что приведет к ее дальнейшему нагреву, а температура в комнате снизится (до ~71,7 °F). Следовательно, процесс охлаждения кофе необратим, если в систему не будет добавлена дополнительная энергия. Однако, парадокс возник при попытке согласовать микроанализ системы с наблюдениями за ее макросостоянием. Многие процессы математически обратимы в своем микросостоянии при анализе с использованием классической ньютоновской механики. Этот парадокс существенно ставит под сомнение микроскопические объяснения макроскопической тенденции к равновесию, такие как аргумент Джеймса Клерка Максвелла 1860 года о том, что молекулярные столкновения приводят к выравниванию температур смешанных газов. С 1872 по 1875 год Людвиг Больцман укрепил статистическое объяснение этого парадокса в форме формулы энтропии Больцмана, утверждая, что увеличение числа возможных микросостояний, в которых может находиться система, увеличит энтропию системы, делая менее вероятным возвращение системы в прежнее состояние. Его формулы количественно оценили анализ, проведенный Уильямом Томсоном, 1-м бароном Кельвином, который утверждал, что:
Simply, Clausius states that it is impossible for a system to transfer heat from a cooler body to a hotter body. For example, a cup of hot coffee placed in an area of room temperature (~72 °F) will transfer heat to its surroundings and thereby cool down with the temperature of the room slightly increasing (to ~72.3 °F). However, that same initial cup of coffee will never absorb heat from its surroundings, causing it to grow even hotter, with the temperature of the room decreasing (to ~71.7 °F). Therefore, the process of the coffee cooling down is irreversible unless extra energy is added to the system. However, a paradox arose when attempting to reconcile microanalysis of a system with observations of its macrostate. Many processes are mathematically reversible in their microstate when analyzed using classical Newtonian mechanics. This paradox clearly taints microscopic explanations of macroscopic tendency towards equilibrium, such as James Clerk Maxwell's 1860 argument that molecular collisions entail an equalization of temperatures of mixed gases. From 1872 to 1875, Ludwig Boltzmann reinforced the statistical explanation of this paradox in the form of Boltzmann's entropy formula, stating that an increase of the number of possible microstates a system might be in, will increase the entropy of the system, making it less likely that the system will return to an earlier state. His formulas quantified the analysis done by William Thomson, 1st Baron Kelvin, who had argued that:
Другое объяснение необратимых систем было предложено французским математиком Анри Пуанкаре. В 1890 году он опубликовал свое первое объяснение нелинейной динамики, также называемой теорией хаоса. Применяя теорию хаоса ко второму закону термодинамики, парадокс необратимости можно объяснить погрешностями, связанными с переходом от микросостояний к макросостояниям, и степенями свободы, используемыми при проведении экспериментальных наблюдений. Чувствительность к начальным условиям, относящимся к системе и ее окружению в микросостоянии, приводит к проявлению необратимых характеристик в наблюдаемой физической области.
Another explanation of irreversible systems was presented by French mathematician Henri Poincaré. In 1890, he published his first explanation of nonlinear dynamics, also called chaos theory. Applying chaos theory to the second law of thermodynamics, the paradox of irreversibility can be explained in the errors associated with scaling from microstates to macrostates and the degrees of freedom used when making experimental observations. Sensitivity to initial conditions relating to the system and its environment at the microstate compounds into an exhibition of irreversible characteristics within the observable, physical realm.
Комплексные системы
Различие между обратимыми и необратимыми событиями имеет особое объяснительное значение в сложных системах (таких как живые организмы или экосистемы). Согласно биологам Умберто Матуране и Франсиско Вареле, живые организмы характеризуются аутопоэзом, что обеспечивает их непрерывное существование. Более примитивные формы самоорганизующихся систем были описаны физиком и химиком Ильей Пригожиным. В контексте сложных систем события, приводящие к завершению определенных самоорганизующихся процессов, такие как смерть, вымирание видов или коллапс метеорологической системы, можно рассматривать как необратимые. Даже если бы удалось создать клон с тем же организационным принципом (например, с идентичной структурой ДНК), это не означало бы возвращения к жизни прежней, отличной системы. События, к которым способны адаптироваться самоорганизующиеся способности организмов, видов или других сложных систем, такие как незначительные повреждения или изменения в физической среде, являются обратимыми. Однако адаптация зависит от поступления негентропии в организм, что, в свою очередь, увеличивает необратимые процессы в окружающей среде. Экологические принципы, такие как устойчивость и принцип предосторожности, могут быть определены в связи с понятием обратимости.
The difference between reversible and irreversible events has particular explanatory value in complex systems (such as living organisms, or ecosystems). According to the biologists Humberto Maturana and Francisco Varela, living organisms are characterized by autopoiesis, which enables their continued existence. More primitive forms of self organizing systems have been described by the physicist and chemist Ilya Prigogine. In the context of complex systems, events which lead to the end of certain self organising processes, like death, extinction of a species or the collapse of a meteorological system can be considered as irreversible. Even if a clone with the same organizational principle (e. g. identical DNA structure) could be developed, this would not mean that the former distinct system comes back into being. Events to which the self organizing capacities of organisms, species or other complex systems can adapt, like minor injuries or changes in the physical environment are reversible. However, adaptation depends on import of negentropy into the organism, thereby increasing irreversible processes in its environment. Ecological principles, like those of sustainability and the precautionary principle can be defined with reference to the concept of reversibility.