З.1. Концепции современного естествознания

законы сохранения энергии в макроскопических процессах; принцип возрастания энтропии; химические системы; энергетика химических процессов; реакционная способность веществ

Выявление принципа формирования причинно-следственных, взаимосвязей в природных процессах как целостных явлениях, фиксируемых посредством использования инструментария современного естествознания, закономерно подводит нас к рассмотрению законов сохранения энергии в макроскопических процессах, которые представляют интерес при изучении экономической науки с точки зрения своего отображения в макроэкономической модели кругооборота расходов-доходов, которая является сущностной для понимания происходящих экономических процессов.

В начале XIX века термодинамика поставила под сомнения вневременную механистическую картину мира Ньютона. Из ее законов следовало, что если бы мир был гигантской машиной, то такая машина не могла бы работать бесконечно долго, а должна была бы остановиться, исчерпав рано или поздно весь свой запас полезной энергии, то есть удел эволюции мира — его постепенная деградация. Сторонники учения Дарвина утверждали обратное. Несмотря на постепенную деградацию мира, говорили они, биологические системы должны развиваться по восходящей линии, эволюционируя из менее организованного в более организованное состояние.

Однако законы термодинамики и законы эволюции у большинства ученых не вызывали сомнений. Попробуем разобраться в возникшем противоречии. К этому времени были открыты атомно-молекулярное строение вещества и броуновское движение, появились тепловые двигатели и т.п. Работами Джоуля был доказан переход работы в теплоту. Так родилось понятие о механическом эквиваленте теплоты и о взаимопревращении теплоты и работы. Благодаря работам Джоуля, Томсона (лорда Кельвина), Клаузиса, Больцмана и других стало складываться понимание, что в природе существуют два независимых фундаментальных вида движения — механическое и тепловое.

Возникла новая наука термодинамика, которая занимается наиболее общими свойствами теплового движения и перехода его в работу. Было показано, что теплота является формой хаотического атомно-молекулярного движения. Описать поведение такой системы многих тел, а их даже в небольшом сосуде около 1023, методами классической механики было невозможно. Поэтому были развиты молекулярная теория теплоты и кинетическая теория газов, которая на основе анализа хаотического поведения большого числа случайно сталкивающихся частиц статистическими методами установила связь между микроскопическим поведением частиц и макроскопическими параметрами системы, такими, как давление Р, объем У, температура Т, плотность р. Макроскопические параметры соответствуют средним значениям параметров большого количества случайно взаимодействующих частиц. Правильнее говорить, что эти значения колеблятся — флуктуируют за счет большого количества случайных столкновений около средних значений. Чем больше количество частиц п в системе, тем более вероятно, что отклонение от среднего, или средняя флуктуация, будет меньше. Она равна Vn . Так, если мы рассмотрим куб со стороной 10 -5см, то он будет содержать ~100 молекул и средняя флуктуация будет достаточно большой, равной 10 молекулам. Однако, если мы рассмотрим куб уже со стороной 10-3 см, то частиц в нем будет уже 108 и средняя относительная флуктуация, равная n1/2/n= 10-4, очень мала.

Термодинамика рассматривает три типа термодинамических систем: замкнутые, которые ничем не обмениваются с внешней средой, закрытые, которые могут обмениваться с внешней средой только теплотой и работой, и открытые, которые могут еще обмениваться и веществом. В период своего становления термодинамика занималась закрытыми и замкнутыми системами в состоянии равновесия или близком к нему. Состояние термодинамического равновесия характеризуется температурой, которая есть не что иное, как средняя кинетическая энергия системы. Если привести в контакт две системы с разной температурой, то теплота всегда будет переходить от более горячего тела к менее горячему, пока температуры тел не выровняются, то есть не наступит тепловое равновесие.

Термодинамика базируется на нескольких законах, или на началах термодинамики. Рассмотрим лишь первый и второй законы.

Первый закон термодинамики утверждает, что если замкнутой системе сообщить некоторое количество теплоты 158 страница AQ и работы А, то это приведет к изменению ее внутренней энергии U, т.е. U= Q + А. Под внутренней энергией системы понимают сумму кинетической энергии движения ее частиц и потенциальную энергию их взаимодействия.

Мы видим, что первый закон есть не что иное, как закон сохранения энергии. Он не накладывает никаких ограничений на переходы теплоты в работу, а требует соблюдения равенства энергий.

Второй закон термодинамики уже налагает ограничения на этот переход. Другими словами, он утверждает, что невозможно получить энергию из резервуара, имеющего всюду одну и ту же температуру, то есть находящегося в тепловом равновесии. Для получения работы нужен поток теплоты. Тепловая энергия равновесной системы поэтому бесполезна. Если бы из воды океана можно было бы извлечь тепловую энергию и превратить ее в работу, то ее хватило бы человечеству на многие миллионы лет. Мы видим, что механическая и тепловая энергии качественно не эквивалентны. Если механическую энергию можно всегда превратить в тепло, например, за счет работы силы трения, то не всякая тепловая энергия может быть переведена в работу. Это происходит потому, что механическая энергия более упорядочена, она более высокого качества, чем менее упорядоченная, более хаотичная тепловая. И поэтому при извлечении работы из теплоты надо платить дань, превращая часть тепловой энергии в бесполезное хаотическое движение.1

Рассматривая экономическую систему как замкнутую совокупность с необратимыми процессами развития, можно отметить, что она обладает тем свойством, что часть ее внутренних ресурсов не может быть преобразована в экономическую прибыль, т.е. любая экономическая деятельность в такой системе сопровождается определенными экономическими потерями. Таким образом, описанная модель является упрощенным отражением экономической действительности, обладающей свойством возрастания энтропии.

Второй же закон утверждает, что все реальные процессы во Вселенной должны протекать с увеличением энтропии.

Становится ясным, почему горячее тело охлаждается до температуры окружающей среды. Потому что упорядоченное движение уступает место неупорядоченному.

Что такое беспорядочное состояние? Это такое состояние, которое можно осуществить наибольшим количеством возможных способов. Становится ясным, почему газ, находящийся в одной половине сосуда, стремится равномерно распределиться по всему его объему, если убрать перегородку. Это происходит потому, что первое состояние более упорядочено, его можно осуществить всего двумя способами, когда газ находится или в той, или в другой половине сосуда. Второе состояние, когда газ равномерно распределен по всему объему, наиболее беспорядочно, так как может быть осуществлено огромным количеством способов за счет взаимной перестановки всех молекул газа при сохранении их полной энергии.

Следует заметить, что второй закон носит статистический характер и применим только к системам, содержащим большое количество частиц. Действительно, если в нашем примере газ содержал бы десяток частиц, то за счет флуктуаций они иногда бы собирались в той или иной половине сосуда. Однако с ростом числа частиц эти состояния наступали бы все реже и реже, а при количестве частиц порядка 1022 такое событие было бы просто невероятным. Хотя принципиально оно может наступить, так как вероятность его осуществления хоть и бесконечно мала, но в точности не равна нулю.

Следует еще раз подчеркнуть, что все события в мире происходят таким путем, что беспорядок в системе при этом увеличивается, то есть качество энергии деградирует, она переходит в хаос, то есть в бесполезную энергию теплового равновесия. Отсюда следует несколько интересных следствий. Если наша Вселенная является изолированной (замкнутой) системой, то обмен энергией с другими системами невозможен. В том, что наш мир — изолированная система, никто из ученых не сомневался, но тогда согласно второму закону термодинамики все виды энергии должны в конце концов перейти в тепло, которое равномерно распределится по системе, то есть Вселенная придет в состояние теплового равновесия и все макроскопические движения в ней прекратятся. Наступит так называемая тепловая смерть Вселенной. Многие пытались разрешить это противоречие. Для того чтобы примирить этот вывод с бесконечным существованием Вселенной, Больцман утверждал, что в силу статистической природы второго закона он выполняется неточно. В некоторой достаточно большой области Вселенной произошла флуктуация, и энтропия в ней понизилась. Хотя это явление и крайне редкое, но, в силу бесконечности существования Вселенной, у нас в запасе бесконечно большое время, чтобы дождаться его. Как мы увидим в беседе об эволюции Вселенной, в этих рассуждениях не была учтена отрицательная энергия тяготения, так как не было еще известно о расширении Вселенной. Учет отрицательной энергии тяготения, не нарушая закона сохранения энергии, приводит к тому, что положительная часть энергии может возрастать, и увеличение энтропии, которое обязательно происходит, не обязательно ведет к замиранию процессов во Вселенной.

С другой стороны, второй закон термодинамики как будто бы мог объяснить необратимость времени, то есть его одно направленность от прошлого к будущему. Согласно этому закону все естественные процессы необратимы и могут протекать только в одну сторону, в сторону увеличения беспорядка, то есть в сторону теплового равновесного состояния, из-за чего и возникает «стрела времени». Однако такое утверждение оказалось иллюзорным. Пуанкаре доказал, что всякая замкнутая динамическая система со временем принципиально может возвращаться в сколь угодно малую окрестность своего исходного состояния. Иначе говоря, все состояния динамической системы повторимы, поэтому «стрела времени» не может быть связана с возрастанием энтропии. После мучительных размышлений Больцман согласился с этим. Действительно, введение вероятностного описания автоматически приводит к одно направленности времени, однако применение статистики в этом случае есть лишь прием учета скрытых параметров, а не изначально присуще структуре данной системы. Поэтому вопрос о природе «стрелы времени» вновь остался открытым.

Внимательный анализ живых систем также показал, что они не противоречат второму закону, так как являются открытыми сильно неравновесными системами. Для своего существования они поглощают вещество с заключенной в нем энергией высокого качества (в виде питания), перерабатывая которое, они выкидывают вещество (экскременты) с энергией низкого качества. В результате эта разность энергий идет на поддержание жизни и увеличение структурируемое™. И хотя в результате энтропия в живой системе уменьшается, общая энтропия живой системы и окружающей среды (за счет выхода беспорядочной энергии с экскрементами) увеличивается, как и следует из второго закона. Таким образом, мы еще раз убеждаемся, что если в какой-то части системы происходят процессы, уменьшающие энтропию (увеличивая организованность), то в другой части системы обязательно протекают процессы, ее увеличивающие, так что суммарное изменение энтропии всегда положительно. Оказывается, что самоорганизация систем может происходить и часто происходит самопроизвольно. В результате таких процессов с большой вероятностью и произошла жизнь.1

Рассмотрение химии в курсе концепций современного естествознания представляет интерес для экономистов с точки зрения различения единого алгоритма в состоянии и развитии как химической, так и экономической систем. Так, представляя собой модель организации между элементами системы, и химическая, и экономическая системы реализуются либо через устойчивую форму, либо через неустойчивую, а также через закрытую или открытую структуру.