Второй закон термодинамики. Невозможна самопроизвольная передача теплоты от холодного тела к теплому. (1) Обратимые и необратимые процессы

Существует несколько формулировок второго закона термодинамики, авторами которых являются немецкий физик, механик и математик Рудольф Клаузиус и британский физик и механик Уильям Томсон, лорд Кельвин. Внешне они различаются, но суть их одинакова.

Постулат Клаузиуса

Рудольф Юлиус Эммануэль Клаузиус

Второй закон термодинамики, как и первый, также выведен опытным путём. Автором первой формулировки второго закона термодинамики считается немецкий физик, механик и математик Рудольф Клаузиус.

«Теплота сама собой не может переходить от тела холодного к телу горячему ». Это утверждение, которое Клазиус назвал «тепловой аксиомой », было сформулировано в 1850 г. в работе «О движущей силе теплоты и о законах, которые можно отсюда получить для теории теплоты». «Само собой теплота передаётся лишь от тела с более высокой температурой к телу с меньшей температурой. В обратном направлении самопроизвольная передача теплоты невозможна». Таков смысл постулата Клаузиуса , определяющего суть второго закона термодинамики.

Обратимые и необратимые процессы

Первый закон термодинамики показывает количественную связь между теплотой, полученной системой, изменением её внутренней энергии и работой, произведённой системой над внешними телами. Но он не рассматривает направление передачи теплоты. И можно предположить, что теплота может передаваться как от горячего тела к холодному, так и наоборот. Между тем, в действительности это не так. Если два тела находятся в контакте, то теплота всегда передаётся от более нагретого тела к менее нагретому. Причём этот процесс происходит сам по себе. При этом во внешних телах, окружающих контактирующие тела, никаких изменений не возникает. Такой процесс, который происходит без совершения работы извне (без вмешательства внешних сил), называется самопроизвольным . Он может быть обратимым и необратимым .

Самопроизвольно остывая, горячее тело передаёт свою теплоту окружающим его более холодным телам. И никогда само собой холодное тело не станет горячим. Термодинамическая система в этом случае не может возвратиться в первоначальное состояние. Такой процесс называется необратимым . Необратимые процессы протекают только в одном направлении. Практически все самопроизвольные процессы в природе необратимы, как необратимо время.

Обратимым называется термодинамический процесс, при котором система переходит из одного состояния в другое, но может вернуться в исходное состояние, пройдя в обратной последовательности через промежуточные равновесные состояния. При этом все параметры системы восстанавливаются до первоначального состояния. Обратимые процессы дают наибольшую работу. Однако в реальности их нельзя осуществить, к ним можно только приблизиться, так как протекают они бесконечно медленно. На практике такой процесс состоит из непрерывных последовательных состояний равновесия и называется квазистатическим . Все квазистатические процессы являются обратимыми.

Постулат Томсона (Кельвина)

Уильм Томсон, лорд Кельвин

Важнейшая задача термодинамики - получение с помощью тепла наибольшего количества работы. Работа легко превращается в теплоту полностью безо всякой компенсации, например, с помощью трения. Но обратный процесс превращения теплоты в работу происходит не полностью и невозможен без получения дополнительной энергии извне.

Нужно сказать, что передача теплоты от более холодного тела к более тёплому возможна. Такой процесс происходит, например, в нашем домашнем холодильнике. Но он не может быть самопроизвольным. Для того чтобы он протекал, необходимо наличие компрессора, который будет такой воздух перегонять. То есть, для обратного процесса (охлаждения) требуется подвод энергии извне. «Невозможен переход теплоты от тела с более низкой температурой без компенсации ».

В 1851 г. другую формулировку второго закона дал британский физик и механик Уильям Томсон, лорд Кельвин. Постулат Томсона (Кельвина) гласит: «Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара » . То есть, нельзя создать циклически работающий двигатель, в результате действия которого производилась бы положительная работа за счет его взаимодействия лишь с одним источником теплоты. Ведь если бы это было возможно, тепловой двигатель мог бы работать, используя, например, энергию Мирового океана и полностью превращая её в механическую работу. В результате этого происходило бы охлаждение океана за счёт уменьшения энергии. Но как только его температура оказалась бы ниже температуры окружающей среды, должен был бы происходить процесс самопроизвольной передачи тепла от более холодного тела к более горячему. А такой процесс невозможен. Следовательно, для работы теплового двигателя необходимо хотя бы два источника теплоты, имеющих разную температуру.

Вечный двигатель второго рода

В тепловых двигателях теплота превращается в полезную работу только при переходе от нагретого тела к холодному. Чтобы такой двигатель функционировал, в нём создаётся разность температур между теплоотдатчиком (нагревателем) и теплоприёмником (холодильником). Нагреватель передаёт теплоту рабочему телу (например, газу). Рабочее тело расширяется и совершает работу. При этом не вся теплота превращается в работу. Часть её передаётся холодильнику, а часть, например, просто уходит в атмосферу. Затем, чтобы вернуть параметры рабочего тела к первоначальным значениям и начать цикл сначала, рабочее тело требуется нагреть, то есть от холодильника необходимо отнять теплоту и передать её нагревателю. Это означает, что нужно передать теплоту от холодного тела к более тёплому. И если бы этот процесс можно было осуществить без подвода энергии извне, мы получили бы вечный двигатель второго рода. Но так как, согласно второму закону термодинамики, сделать это невозможно, то невозможно и создать вечный двигатель второго рода, который полностью превращал бы теплоту в работу.

Эквивалентные формулировки второго закона термодинамики:

1. Невозможен процесс, единственным результатом которого является превращение в работу всего количества теплоты, полученного системой.
2. Невозможно создать вечный двигатель второго рода .

Принцип Карно

Николя Леонар Сади Карно

Но если невозможно создать вечный двигатель, то можно организовать цикл работы теплового двигателя таким образом, чтобы КПД (коэффициент полезного действия) был максимальным.

В 1824 г., задолго до того как Клаузиус и Томсон сформулировали свои постулаты, давшие определения второго закона термодинамики, французский физик и математик Николя Леонар Сади Карно опубликовал свою работу «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». В термодинамике её считают основополагающей. Учёный сделал анализ существовавших в то время паровых машин, КПД которых был всего лишь 2%, и описáл работу идеальной тепловой машины.

В водяном двигателе вода совершает работу, падая с высоту вниз. По аналогии Карно предположил, что и теплота может совершать работу, переходя от горячего тела к более холодному. Это означает, что для того чтобы тепловая машина работала, в ней должно быть 2 источника тепла, имеющих разную температуру. Это утверждение называют принципом Карно . А цикл работы тепловой машины, созданной учёным, получил название цикла Карно .

Карно придумал идеальную тепловую машину, которая могла совершать максимально возможную работу за счёт подводимой к ней теплоты.

Тепловая машина, описанная Карно, состоит из нагревателя, имеющего температуру Т Н , рабочего тела и холодильника с температурой Т Х .

Цикл Карно является круговым обратимым процессом и включает в себя 4 стадии - 2 изотермические и 2 адиабатические.

Первая стадия А→Б изотермическая. Она проходит при одинаковой температуре нагревателя и рабочего тела Т Н . Во время контакта количество теплоты Q H передаётся от нагревателя рабочему телу (газу в цилиндре). Газ изотермически расширяется и совершает механическую работу.

Для того, чтобы процесс был циклическим (непрерывным), газ нужно вернуть к исходным параметрам.

На второй стадии цикла Б→В рабочее тело и нагреватель разъединяются. Газ продолжается расширяться адиабатически, не обмениваясь теплом с окружающей средой. При этом его температура снижается до температуры холодильника Т Х , и он продолжает совершать работу.

На третьей стадии В→Г рабочее тело, имея температуру Т Х , находится в контакте с холодильником. Под действием внешней силы оно изотермически сжимается и отдаёт теплоту величиной Q Х холодильнику. Над ним совершается работа.

На четвёртой стадии Г→А рабочее тело разъединятся с холодильником. Под действием внешней силы оно адиабатически сжимается. Над ним совершается работа. Его температура становится равной температуре нагревателя Т Н .

Рабочее тело возвращается в первоначальное состояние. Круговой процесс заканчивается. Начинается новый цикл.

Коэффициент полезного действия теловой машины, работающей по циклу Карно, равен:

КПД такой машины не зависит от её устройства. Он зависит только от разности температур нагревателя и холодильника. И если температура холодильника равна абсолютному нулю, то КПД будет равен 100%. До сих пор никто не смог придумать ничего лучшего.

К сожалению, на практике такую машину построить невозможно. Реальные обратимые термодинамические процессы могут лишь приближаться к идеальным с той или иной степенью точности. Кроме того, в реальной тепловой машине всегда будут тепловые потери. Поэтому её КПД будет ниже КПД идеального теплового двигателя, работающего по циклу Карно.

На основе цикла Карно построены различные технические устройства.

Если цикл Карно провести наоборот, то получится холодильная машина. Ведь рабочее тело сначала заберёт тепло от холодильника, затем превратит в тепло работу, затраченную на создание цикла, а потом отдаст это тепло нагревателю. По такому принципу работают холодильники.

Обратный цикл Карно лежит также в основе тепловых насосов. Такие насосы переносят энергию от источников с низкой температурой к потребителю с более высокой температурой. Но, в отличие от холодильника, в котором отбираемая теплота выбрасывается в окружающую среду, в тепловом насосе она передаётся потребителю.

Никакой двигатель не может преобразовывать теплоту в работу со стопроцентной эффективностью. (2) в замкнутой системе энтропия не может убывать. (3).

Природным процессам свойственна направленность и необратимость, однако в большинстве законов, описанных в этой книге, это не находит отражения - по крайней мере, явного. Разбить яйца и сделать яичницу не сложно, воссоздать же сырые яйца из готовой яичницы - невозможно
. Запах из открытого флакона духов наполняет комнату - однако обратно во флакон его не соберешь. И причина такой необратимости процессов, происходящих во вселенной, кроется во втором начале термодинамики, который, при всей его кажущейся простоте, является одним из самых трудных и часто неверно понимаемых законов классической физики.

Прежде всего, у этого закона имеется как минимум три равноправные формулировки, предложенные в разные годы физиками разных поколений. Может показаться, что между ними нет ничего общего, однако все они логически эквивалентны между собой. Из любой формулировки второго начала математически выводятся две другие.

Мы начнем с первой формулировки, принадлежащей немецкому физику Рудольфу клаузиусу (см. Уравнение клапейрона - клаузиуса. Вот простая и наглядная иллюстрация этой формулировки: берем из холодильника кубик льда и кладем его в раковину. По прошествии некоторого времени кубик льда растает, потому что теплота от более теплого тела (воздуха) передастся более холодному (кубику льда. С точки зрения закона сохранения энергии, нет причин для того, чтобы тепловая энергия передавалась именно в таком направлении: даже если бы лед становился всё холоднее, а воздух всё теплее, закон сохранения энергии всё равно бы выполнялся. Тот факт, что этого не происходит, как раз и свидетельствует об уже упоминавшейся направленности физических процессов.

Почему именно так взаимодействуют лед и воздух, мы можем легко объяснить, рассматривая это взаимодействие на молекулярном уровне. Из молекулярно - кинетической теории мы знаем, что температура отражает скорость движения молекул тела - чем быстрее они движутся, тем выше температура тела. Значит, молекулы воздуха движутся быстрее молекул воды в кубике льда. При соударении молекулы воздуха с молекулой воды на поверхности льда, как подсказывает нам опыт, быстрые молекулы, в среднем, замедляются, а медленные ускоряются. Таким образом, молекулы воды начинают двигаться всё быстрее, или, что то же самое, температура льда повышается. Именно это мы имеем в виду, когда говорим, что тепло передается от воздуха ко льду. И в рамках этой модели первая формулировка второго начала термодинамики логически вытекает из поведения молекул.

При перемещении какого-либо тела на какое-либо расстояние под действием определенной силы совершается работа, и различные формы энергии как раз и выражают способность системы произвести определенную работу. Поскольку теплота, отражающая кинетическую энергию молекул, представляет собой одну из форм энергии, она тоже может быть преобразована в работу. Но опять мы дело с направленным процессом имеем. Перевести работу в теплоту можно со стопроцентной эффективностью - вы делаете это каждый раз, когда нажимаете на педаль тормоза в своем автомобиле: вся кинетическая энергия движения вашего автомобиля плюс затраченная вами энергия силы нажатия на педаль через работу вашей ноги и гидравлической системы тормозов полностью превращается в теплоту, выделяющуюся в процессе трения колодок о тормозные диски. Вторая формулировка второго начала термодинамики утверждает, что обратный процесс невозможен. Сколько ни пытайтесь всю тепловую энергию превратить в работу - тепловые потери в окружающую среду неизбежны.

Проиллюстрировать вторую формулировку в действии несложно. Представьте себе цилиндр двигателя внутреннего сгорания вашего автомобиля. В него впрыскивается высокооктановая топливная смесь, которая сжимается поршнем до высокого давления, после чего она воспламеняется в малом зазоре между головкой блока цилиндров и плотно пригнанным к стенкам цилиндра свободно ходящим поршнем. При взрывном сгорании смеси выделяется значительное количество теплоты в виде раскаленных и расширяющихся продуктов сгорания, давление которых толкает поршень вниз. В идеальном мире мы могли бы достичь кпд использования выделившейся тепловой энергии на уровне 100%, полностью переведя ее в механическую работу поршня.

В реальном мире никто и никогда не соберет такого идеального двигателя по двум причинам. Во-первых, стенки цилиндра неизбежно нагреваются в результате горения рабочей смеси, часть теплоты теряется вхолостую и отводится через систему охлаждения в окружающую среду. Во-вторых, часть работы неизбежно уходит на преодоление силы трения, в результате чего, опять же, нагреваются стенки цилиндров - еще одна тепловая потеря (даже при самом хорошем моторном масле. В-третьих, цилиндру нужно вернуться к исходной точке сжатия, а это также работа по преодолению трения с выделением теплоты, затраченная вхолостую. В итоге мы имеем то, что имеем, а именно: самые совершенные тепловые двигатели работают с кпд не более 50%.

Такая трактовка второго начала термодинамики заложена в принципе Карно, который назван так в честь французского военного инженера сади Карно. Она сформулирована раньше других и оказала огромное влияние на развитие инженерной техники на многие поколения вперед, хотя и носит прикладной характер. Огромное значение она приобретает с точки зрения современной энергетики - важнейшей отрасли любой национальной экономики. Сегодня, сталкиваясь с дефицитом топливных ресурсов, человечество, тем не менее, вынуждено мириться с тем, что кпд, например, тэц, работающих на угле или мазуте, не превышает 30-35% - то есть, две трети топлива сжигается впустую, точнее расходуется на подогрев атмосферы - и это перед лицом угрозы глобального потепления. Вот почему современные тэц легко узнать по колоссальным башням - градирням - именно в них остужается вода, охлаждающая турбины электрогенераторов, и избытки тепловой энергии выбрасываются в окружающую среду. И столь низкая эффективность использования ресурсов - не вина, а беда современных инженеров - конструкторов: они и без того выжимают близко к максимуму того, что позволяет цикл Карно. Те же, кто заявляет, что нашел решение, позволяющее резко сократить тепловые потери энергии (например, сконструировал вечный двигатель), утверждают тем самым, что они перехитрили второе начало термодинамики. С тем же успехом они могли бы утверждать, что знают, как сделать так, чтобы кубик льда в раковине не таял при комнатной температуре, а, наоборот, еще больше охлаждался, нагревая при этом воздух.

Третья формулировка второго начала термодинамики, приписываемая обычно австрийскому физику Людвигу Больцману (см. Постоянная Больцмана), пожалуй, наиболее известна. Энтропия - это показатель неупорядоченности системы. Чем выше энтропия - тем хаотичнее движение материальных частиц, составляющих систему. Больцману удалось разработать формулу для прямого математического описания степени упорядоченности системы. Давайте посмотрим, как она работает, на примере воды. В жидком состоянии вода представляет собой довольно неупорядоченную структуру, поскольку молекулы свободно перемещаются друг относительно друга, и пространственная ориентация у них может быть произвольной. Другое дело лед - в нем молекулы воды упорядочены, будучи включенными в кристаллическую решетку. Формулировка второго начала термодинамики Больцмана, условно говоря, гласит, что лед, растаяв и превратившись в воду (процесс, сопровождающийся снижением степени упорядоченности и повышением энтропии) сам по себе никогда из воды не возродится. И снова мы пример необратимого природного физического явления видим.

Тут важно понимать, что речь не идет о том, что в этой формулировке второе начало термодинамики провозглашает, что энтропия не может снижаться нигде и никогда. В конце концов, растопленный лед можно поместить обратно в морозильную камеру и снова заморозить. Смысл в том, что энтропия не может уменьшаться в замкнутых системах - то есть, в системах, не получающих внешней энергетической подпитки. Работающий холодильник не является изолированной замкнутой системой, поскольку он подключен к сети электропитания и получает энергию извне - в конечном счете, от электростанций, ее производящих. В данном случае замкнутой системой будет холодильник, плюс проводка, плюс местная трансформаторная подстанция, плюс единая сеть энергоснабжения, плюс электростанции. И поскольку рост энтропии в результате беспорядочного испарения из градирен электростанции многократно превышает снижение энтропии за счет кристаллизации льда в вашем холодильнике, второе начало термодинамики ни в коей мере не нарушается.

А это, я полагаю, приводит еще к одной формулировке второго начала: холодильник не работает, если он не включен в розетку. Джеймс трефил, "природа науки. 200 законов мироздания".

Закон сохранения и превращения энергии (первое начало термодинамики) в принципе не запрещает такого перехода, лишь бы количество энергии сохранялось в прежнем объеме. Но в реальности такого никогда не происходит. Вот эту-то од­носторонность, однонаправленность перераспределения энер­гии в замкнутых системах и подчеркивает второе начало.

Для отражения этого процесса в термодинамику было вве­дено новое понятие -энтропия. Под энтропией стали пони­матьмеру беспорядка системы. Более точная формулировка вто­рого начала термодинамики приняла такой вид:«При самопро­извольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию, энтропия всегда возрастает».

Физический смысл возрастания энтропии сводится к тому, что состоящая из некоторого множества частиц изолированная (с постоянной энергией) система стремится перейти в состоя­ние с наименьшей упорядоченностью движения частиц. Это - наиболее простое состояние системы, или состояние термоди­намического равновесия, при котором движение частиц хао­тично. Максимальная энтропия означает полное термодинами­ческое равновесие, что эквивалентно полному хаосу.

Общий итог достаточно печален: необратимая направлен­ность процессов преобразования энергии в изолированных сис­темах рано или поздно приведет к превращению всех видов энергии в тепловую, которая рассеется, т.е. в среднем равно­мерно распределится между всеми элементами системы, что и будет означатьтермодинамическое равновесие, илиполный хаос. Если наша Вселенная - замкнута, то ее ждет именно такая не­завидная участь. Из хаоса, как утверждали древние греки, она родилась, в хаос же, как предполагает классическая термоди­намика, и возвратится.

Возникает, правда, любопытный вопрос: если Вселенная эволюционирует только к хаосу, то как же она могла возник­нуть и сорганизоваться до нынешнего упорядоченного состоя­ния? Однако этим вопросом классическая термодинамика не задавалась, ибо формировалась в эпоху, когда нестационарный характер Вселенной даже не обсуждался. В это время единст­венным немым укором термодинамике служила дарвиновская теория эволюции. Ведь предполагаемый этой теорией процесс развития растительного и животного мира характеризовался его непрерывным усложнением, нарастанием высоты организации и порядка. Живая природа почему-то стремилась прочь от тер­модинамического равновесия и хаоса. Такая явная «нестыков­ка» законов развития неживой и живой природы по меньшей мере удивляла.

Удивление это многократно возросло после замены модели стационарной Вселенной на модель развивающейся Вселенной,

в которой ясно просматривалось нарастающее усложнение ор­ганизации материальных объектов - от элементарных и суб­элементарных частиц в первые мгновения после Большого взрыва до наблюдаемых ныне звездных и галактических систем. Ведь если принцип возрастания энтропии столь универсален, как же могли возникнуть такие сложные структуры? Случай­ным «возмущением» в целом равновесной Вселенной их уже не объяснить. Стало ясно, что для сохранения непротиворечиво­сти общей картины мира необходимо постулировать наличие у материи в целом не только разрушительной, но и созидатель­ной тенденции. Материя способна осуществлять работу и про­тив термодинамического равновесия,самоорганизовываться и самоусложняться.

Стоит отметить, что постулат о способности материи к са­моразвитию в философию был введен достаточно давно. А вот его необходимость в фундаментальных естественных науках (физике, химии) начинает осознаваться только сейчас. На вол­не этих проблем и возникласинергетика - теория самооргани­зации. Ее разработка началась несколько десятилетий назад, и в настоящее время она развивается по нескольким направлени­ям: синергетика (Г. Хакен), неравновесная термодинамика (И. Пригожий) и др. Не вдаваясь в детали и оттенки развития этих направлений» охарактеризуем общий смысл развиваемого ими комплекса идей, называя их синергетическими (термин Г. Хакена).

Главный мировоззренческий сдвиг, произведенный синер­гетикой, можно выразить следующим образом:

а) процессы разрушения и созидания, деградации и эволю­ции во Вселенной по меньшей мере равноправны;

б) процессы созидания (нарастания сложности и упорядо­ченности) имеют единый алгоритм независимо от природы систем, в которых они осуществляются.

Таким образом, синергетика претендует на открытие не­коего универсального механизма, с помощью которого осуще­ствляется самоорганизация как в живой, так и в неживой при­роде. Под самоорганизацией при этом понимается спонтанный переход открытой неравновесной системы от менее к более сложным и упорядоченным формам организации. Отсюда следует, что объектом синергетики могут быть отнюдь не любые систе­

мы, а только те, которые удовлетворяют по меньшей мере двум условиям:

а) они должны быть открытыми, т.е. обмениваться вещест­вом или энергией с внешней средой;

б) они должны также быть существенно неравновесными, т.е. находиться в состоянии, далеком от термодинамического равновесия.

Но именно такими являются большинство известных нам систем. Изолированные системы классической термодинамики - это определенная идеализация, в реальности такие системы - исключение, а не правило. Сложнее со всей Вселенной в це­лом - если считать ее открытой системой, то что же может служить ее внешней средой? Современная физика полагает, что такой средой для нашей вещественной Вселенной является ва­куум.

Итак, синергетика утверждает, что развитие открытых и сильно неравновесных систем протекает путем нарастающей сложности и упорядоченности. В цикле развития такой систе­мы наблюдаются две фазы:

1. Период плавного эволюционного развития с хорошо предсказуемыми линейными изменениями, подводящими в итоге систему к некоторому неустойчивому критическому со­стоянию.

2. Выход из критического состояния одномоментно, скач­ком и переход в новое устойчивое состояние с большей степе­нью сложности и упорядоченности.

Важная особенность: переход системы в новое устойчивое состояние неоднозначен. Достигшая критических параметров система из состояния сильной неустойчивости как бы «сваливается» в одно из многих возможных новых для нее ус­тойчивых состояний. В этой точке (ее называют точкой бифур­кации) эволюционный путь системы как бы разветвляется, и какая именно ветвь развития будет выбрана - решает случай! Но после того, как «выбор сделан», и система перешла в каче­ственно новое устойчивое состояние - назад возврата нет. Процесс этот необратим. А отсюда, между прочим, следует, что развитие таких систем имеет принципиально непредсказуемый характер. Можно просчитать варианты ветвления путей эволю­ции системы, но какой именно из них будет выбран случаем - однозначно спрогнозировать нельзя.

Самый популярный и наглядный пример образования структур нарастающей сложности - хорошо изученное в гид­родинамике явление, названное ячейками Бенара. При подог­реве жидкости, находящейся в сосуде круглой или прямоуголь­ной формы, между нижним и верхним ее слоями возникает не­которая разность (градиент) температур. Если градиент мал, то перенос тепла происходит на микроскопическом уровне и ни­какого макроскопического движения не происходит. Однако при достижении им некоторого критического значения в жид­кости внезапно (скачком) возникает макроскопическое движе­ние, образующее четко выраженные структуры в виде цилинд­рических ячеек. Сверху такая макроупорядоченность выглядит как устойчивая ячеистая структура, похожая на пчелиные соты.

Это хорошо знакомое всем явление с позиций статистиче­ской механики совершенно невероятно. Ведь оно свидетельст­вует о том, что в момент образования ячеек Бенара миллиарды молекул жидкости как по команде начинают вести себя скоор­динированно, согласованно, хотя до этого пребывали в совер­шенно хаотическом движении. Создается впечатление, что ка­ждая молекула «знает», что делают все остальные, и желает двигаться в общем строю. (Само слово «синергетика», кстати, как раз и означает «совместное действие».) Классические ста­тистические законы здесь явно не работают, это явление иного порядка. Ведь даже если такая «правильная» и устойчиво «кооперативная» структура и образовалась бы случайно, что почти невероятно, то она тут же распалась бы. Но она не рас­падается при поддержании соответствующих условий (приток энергии извне), а устойчиво сохраняется. Значит, возникнове­ние таких структур нарастающей сложности - не случайность, а закономерность.

Поиск аналогичных процессов самоорганизации в других классах открытых неравновесных систем вроде бы обещает быть успешным: механизм действия лазера, рост кристаллов, химические часы (реакция Белоусова - Жаботинского), фор­мирование Живого организма, динамика популяций, рыночная экономика, наконец, в которой хаотичные действия миллионов свободных индивидов приводят к образованию устойчивых и

сложных макроструктур - все это примеры самоорганизации систем самой различной природы.

Синергетическая интерпретация такого рода явлений от­крывает новые возможности и направления их изучения. В обобщенном виде новизну синергетического подхода можно выразить следующими позициями:

Хаос не только разрушителен, но и созидателен, конст­руктивен; развитие осуществляется через неустойчивость (хаотичность).

Линейный характер эволюции сложных систем, к кото­рому привыкла классическая наука, не правило, а, ско­рее, исключение; развитие большинства таких систем но­сит нелинейный характер. А это значит, что для сложных систем всегда существует несколько возможных путей эволюции.

Развитие осуществляется через случайный выбор одной из нескольких разрешенных возможностей дальнейшей эволюции в точках бифуркации. Следовательно, случай­ность - не досадное недоразумение, она встроена в ме­ханизм эволюции. А еще это значит, что нынешний путь эволюции системы может быть и не лучше отвергнутых случайным выбором.

Синергетика родом из физических дисциплин - термоди­намики, радиофизики. Но ее идеи носят междисциплинарный характер. Они подводят базу под совершающийся в естество­знании глобальный эволюционный синтез. Поэтому в синерге­тике видят одну из важнейших составляющих современной на­учной картины мира.

2.3.3. Общие контуры современной естественно-научной картины мира

Мир, в котором мы живем, состоит из разномасштабных открытых систем, развитие которых подчиняется некоторым общим закономерностям. При этом он имеет свою долгую ис­торию, которая в общих чертах известна современной науке.

Вот как выглядит хронология наиболее важных событий этой истории 1:

20 млрд летназад - Большой взрыв

3 минуты спустя - образование вещественной основы Вселенной (фотоны, нейтрино и анти­нейтрино с примесью ядер водорода, ге­лия и электронов).

Через несколько сотен - появление атомов (легких элемен-тысяч леттов).

19-17 млрд лет назад - образование разномасштабных струк­тур (галактик).

15 млрд лет назад - появление звезд первого поколения, образование атомов тяжелых элементов.

5 млрд лет назад - рождение Солнца.

4,6 млрд лет назад - образование Земли.

3,8 млрд лет назад - зарождение жизни.

450 млн лет назад - появление растений.

150 млн лет назад - появление млекопитающих.

2 млн лет назад - начало антропогенеза.

Подчеркнем, что современной науке известны не только «даты», но во многом и сами механизмы эволюции Вселенной от Большого взрыва до наших дней. Это - фантастический ре­зультат. Причем наиболее крупные прорывы к тайнам истории Вселенной осуществлены во второй половине нашего века:

предложена и обоснована концепция Большого взрыва, по­строена кварковая модель атома, установлены типы фундамен­тальных взаимодействий и построены первые теории их объе­динения и т.д. Мы обращаем внимание в первую очередь на успехи физики и космологии потому, что именно эти фунда­ментальные науки формируют общие контуры научной карти­ны мира.

Картина мира, рисуемая современным естествознанием, не­обыкновенно сложна и проста одновременно. Сложна потому, что способна поставить в тупик человека, привыкшего к согла-

1 См.: Философия и методология науки. - М.: Аспект Пресс, 1996. - С. 290.

сующимся со здравым смыслом классическим научным пред­ставлениям. Идеи начала времени, корпускулярно-волнового дуализма квантовых объектов, внутренней структуры вакуума, способной рождать виртуальные частицы, - эти и другие по­добные новации придают нынешней картине мира немножко «безумный» вид. (Впрочем, это преходяще: когда-то ведь и мысль о шарообразности Земли тоже выглядела совершенно «безумной».)

Но в то же время эта картина величественно проста, строй­на и где-то даже элегантна. Эти качества ей придают в основ­ном уже рассмотренные нами ведущие принципы построения и организации современного научного знания:

Системность,

Глобальный эволюционизм,

Самоорганизация,

Историчность.

Данные принципы построения научной картины мира в це­лом соответствуют фундаментальным закономерностям сущест­вования и развития самой Природы.

Системность означает воспроизведение наукой того факта, что наблюдаемая Вселенная предстает как наиболее крупная из всех известных нам систем, состоящая из огромного множества элементов (подсистем) разного уровня сложности и упорядо­ченности.

Под «системой» обычно понимают некое упорядоченное множество взаимосвязанных элементов. Эффект системности обнаруживается в появлении у целостной системы новых свойств, возникающих в результате взаимодействия элементов (атомы водорода и кислорода, например, объединенные в мо­лекулу воды, радикально меняют свои обычные свойства). Другой важной характеристикой системной организации явля­ется иерархичность, субординация - последовательное вклю­чение систем нижних уровней в системы все более высоких уровней.

Системный способ объединения элементов выражает их принципиальное единство: благодаря иерархичному включению систем разных уровней друг в друга любой элемент любой сис­темы оказывается связан со всеми элементами всех возможных систем. (Например: человек - биосфера - планета Земля -

Солнечная система - Галактика и тд.) Именно такой принци­пиально единый характер демонстрирует нам окружающий мир. Таким же образом организуется соответственно и научная картина мира, и создающее ее естествознание. Все его части ныне теснейшим образом взаимосвязаны - сейчас практически уже нет ни одной «чистой» науки, все пронизано и преобразо­вано физикой и химией.

Глобальный эволюционизм - это признание невозможности существования Вселенной и всех порождаемых ею менее мас­штабных систем вне развития, эволюции. Эволюционирующий характер Вселенной также свидетельствует о принципиальном единстве мира, каждая составная часть которого есть историче­ское следствие глобального эволюционного процесса, начатого Большим взрывом.

Самоорганизация - это наблюдаемая способность материи к самоусложнению и созданию все более упорядоченных струк­тур в ходе эволюции. Механизм перехода материальных систем в более сложное и упорядоченное состояние, по-видимому, сходен для систем всех уровней.

Эти принципиальные особенности современной естественно­научной картины мира и определяют в главном ее общий контур, а также сам способ организации разнообразного научного знания в нечто целое и последовательное.

Однако у нее есть и еще одна особенность, отличающая ее от прежних вариантов. Она заключается в признанииисторич­ности, а следовательно,принципиальной незавершенности на­стоящей, да и любой другой научной картины мира. Та, кото­рая есть сейчас, порождена как предшествующей историей, так и специфическими социокультурными особенностями нашего времени. Развитие общества, изменение его ценностных ориен­тации, осознание важности исследования уникальных природ­ных систем, в которые составной частью включен и сам чело­век, меняет и стратегию научного поиска, и отношение челове­ка к миру.

Но ведь развивается и Вселенная. Конечно, развитие обще­ства и Вселенной осуществляется в разных темпоритмах. Но их взаимное наложение делает идею создания окончательной, за­вершенной, абсолютно истинной научной картины мира прак­тически неосуществимой.

Итак, мы попытались отметить некоторые принципиальные особенности современной естественно-научной картины мира. Это всего лишь ее общий контур, набросав который, можно приступать к более детальному знакомству с конкретными кон­цептуальными новшествами современного естествознания. О них мы расскажем в следующих главах.

Вопросы для повторения

1. Почему наука возникает только в VI-IV вв. до н. э., а не раньше? Каковы отличительные особенности научного знания?

2. В чем суть принципа фальсификации? Как он работает?

3. Назовите критерии различения теоретического и эмпи­рического уровней научного познания. Какую роль игра­ет каждый из этих уровней в научном познании?

5. Что такое парадигма?

6. Опишите содержание естественно-научной революции конца XIX - начала XX вв.

7. «Был этот мир глубокой тьмой окутан. Да будет свет! И вот явился Ньютон. Но Сатана не долго ждал реванша. Пришел Эйнштейн - и стало все, как раньше». (С. Я. Маршак)

Над какой особенностью научного познания иронизирует автор?

8. В чем суть принципа глобального эволюционизма? Как он проявляется?

9. Опишите основные идеи синергетики. В чем заключается новизна синергетического подхода?

10. Назовите принципиальные особенности современной ес­тественно-научной картины мира.

Литература

1. Князева Е.Н., Курдюмов С.П. Законы эволюции и само­организации сложных систем. - М.: Наука, 1994.

2. Кузнецов В.И., Идлис Г.М., Гутина В.Н. Естествознание. - М.: Агар, 1996.

3. Кун Т. Структура научных революций. - М.: Прогресс 1975.

4. Лакатос И. Методология научных исследовательских программ // Вопросы философии. - 1995. - № 4.

5. Ровинский Р.Е. Развивающаяся Вселенная. - М., 1995.

6. Современная философия науки. - М.: Логос, 1996.

7. Степин В. С., Горохов В. Г., Розов М. А. Философия науки и техники. - М.: Гардарика, 1996.

8. Философия и методология науки. - М.: Аспект Пресс 1996.

_________________________________

7.3.5. Ноосфера. Учение В. И. Вернадского о ноосфере

Огромное влияние человека на природу и масштабные по­следствия его деятельности послужили основой для создания

учения о ноосфере. Термин «ноосфера» (гр. поо5 -разум) пере­водится буквально как сфера разума. Впервые его ввел в науч­ный оборот в 1927 г. французский ученыйЭ. Леруа. Вместе с Тейяром де Шарденом он рассматривал ноосферу как некое идеальное образование, внебиосферную оболочку мысли, окру­жающую Землю.

Ряд ученых предлагает употреблять вместо понятия «ноосфера» другие понятия: «техносфера», «антропосфера», «психосфера», «социосфера» или использовать их в качестве синонимов. Подобный подход представляется весьма спорным, так как между перечисленными понятиями и понятием «ноосфера» есть определенная разница.

Следует также отметить, что учение о ноосфере не носит пока законченного канонического характера, которое можно было бы принимать как некое безусловное руководство к действию. Учение о ноосфере было сформулировано и в трудах одного из его основателей В. И. Вернадского. В его работах можно встре­тить разные определения и представления о ноосфере, которые к тому же менялись на протяжении жизни ученого. Вернадский начал развивать данную концепцию с начала 30-х гг. после де­тальной разработки учения о биосфере. Осознавая огромную роль и значение человека в жизни и преобразовании планеты, В. И. Вернадский употребляет понятие «ноосфера» в разных смыслах: 1) как состояние планеты, когда человек становится крупнейшей преобразующей геологической силой; 2) как об­ласть активного проявления научной мысли; 3) как главный фактор перестройки и изменения биосферы.

Очень важным в учении В. И. Вернадского о ноосфере было то, что он впервые осознал и попытался осуществить синтезесте­ственных и общественных наук при изучении проблем глобальной деятельности человека, активно перестраивающего окружаю­щую среду. По его мнению, ноосфера есть уже качественно иная, высшая стадия биосферы, связанная с коренным преобразо­ванием не только природы, но и самого человека. Это не просто сфера приложения знаний человека при высоком уровне тех­ники. Для этого достаточно понятия «техносферы». Речь идет о таком этапе в жизни человечества, когда преобразующая деятель­ность человека будет основываться на строго научном и действи­тельно разумном понимании всех происходящих процессов и обя­зательно сочетаться с «интересами природы».

В настоящее время под ноосферой понимается сфера взаимо­действия человека и природы, в пределах которой разумная чело­веческая деятельность становится главным определяющим факто­ром развития. В структуре ноосферы можно выделить в качестве составляющих человечество, общественные системы, совокул-" ность научных знаний, сумму техники и технологий в единстве с биосферой. Гармоничная взаимосвязь всех составляющих структуры есть основа устойчивого существования и развития ноосферы.

Говоря об эволюционном развитии мира, его переходе в ноосферу, основатели этого учения расходились в понимании сущности данного процесса. Тейяр де Шарден говорил о посте­пенном переходе биосферы в ноосферу, т.е. «в сферу разума, эво­люция которой подчиняется разуму и воле человека», путем по­степенного сглаживания трудностей между человеком и природой.

У В. И. Вернадского мы встречаем иной подход. В его уче­нии о биосфере живое вещество преобразует верхнюю оболочку Земли. Постепенно вмешательство человека все увеличива­ется, человечество становится основной планетарной геолого-образующей силой. Поэтому (стержень учения Вернадского о ноосфере) человек несет прямую ответственность за эволюцию планеты. Понимание им данного тезиса необходимо и для его собственного выживания. Стихийность же развития сделает биосферу непригодной для обитания людей. В связи с этим че­ловеку следует соизмерять свои потребности с возможностями биосферы. Воздействие на нее должно быть дозировано разу­мом в ходе эволюции биосферы и общества. Постепенно био­сфера преобразуется в ноосферу, где ее развитие приобретает направляемый характер.

В этом и заключаются непростой характер эволюции при­роды, биосферы, а также сложности появления ноосферы, оп­ределения роли и места в ней человека. В. И. Вернадский не­однократно подчеркивал, что человечество лишь вступает в данное состояние. И сегодня, спустя несколько десятилетий после смерти ученого, говорить об устойчивой разумной дея­тельности человека (т.е. о том, что мы уже достигли состояния ноосферы) нет достаточных оснований. И так будет по крайней мере до тех пор, пока человечество не решит глобальных проблем планеты, в том числе экологическую. О ноосфере правильнее

говорить, как о том идеале, к которому следует стремиться че­ловеку.

7.4. Взаимосвязь космоса и живой природы

Благодаря взаимосвязи всего существующего космос оказы­вает активное влияние на самые различные процессы жизни на Земле.

В. И. Вернадский, говоря о факторах, влияющих на разви­тие биосферы, указывал среди прочих и космическое влияние. Так, он подчеркивал, что без космических светил, в частности без Солнца, жизнь на Земле не могла бы существовать. Живые организмы трансформируют космическое излучение в земную энергию (тепловую, электрическую, химическую, механиче­скую) в масштабах, определяющих существование биосферы.

На существенную роль космоса в появлении жизни на Земле указывал шведский ученый. Нобелевский лауреатС. Аррениус. По его мнению, занос жизни на Землю из космоса был возмо­жен в виде бактерий благодаря космической пыли и энергии. Не исключал возможности появления жизни на Земле из кос­моса и В. И. Вернадский.

Влияние космоса на происходящие на Земле процессы (например, Луны на морские приливы и отливы, солнечные за­тмения) люди подметили еще в древности. Однако многие века связь космоса с Землей осмысливалась чаще на уровне научных гипотез и догадок или вообще вне рамок науки. Во многом это было обусловлено ограниченными возможностями человека, на­учной базы и имевшегося инструментария. ВXX столетии знания о влиянии космоса на Землю существенно пополнились. И в этом есть заслуга и российских ученых, в первую очередь пред­ставителей русского космизма - А. Л. Чижевского, К. Э. Циол­ковского, Л. Н. Гумилева, В. И. Вернадского и др.

Понять, оценить и выявить масштабы влияния космоса, и прежде всего Солнца, на земную жизнь и ее проявления во многом удалось А. Л. Чижевскому. Об этом красноречиво сви­детельствуют названия его работ: «Физические факторы исто­рического процесса», «Земное эхо солнечных бурь» и т.п.

Ученые давно обратили внимание на проявления активно­сти Солнца (пятна, факелы на его поверхности, протуберанцы). Эта активность в свою очередь оказалась связанной с электро­магнитными и другими колебаниями мирового пространства. А. Л. Чижевский, проведя многочисленные научные исследова­ния по астрономии, биологии и истории, пришел к выводу об очень значительном влиянии Солнца и его активности на био­логические и социальные процессы на Земле («Физические факторы исторического процесса»).

В 1915 г. 18-летний А. Л. Чижевский, самозабвенно изучав­ший астрономию, химию и физику, обратил внимание на син­хронность образования солнечных пятен и на одновременную активизацию боевых действий на фронтах Первой мировой войны. Накопленный и обобщенный статистический материал позволил ему сделать данное исследование научным и убеди­тельным.

Смысл его концепции, основанной на богатом фактическом материале, состоял в доказательстве существования космиче­ских ритмов и зависимости биологической и общественной жизни на Земле от пульса космоса. К. Э. Циолковский так оценил труд своего коллеги: «Молодой ученый пытается обна­ружить функциональную зависимость между поведением чело­вечества и колебаниями в деятельности Солнца, и путем вы­числений определить ритм, циклы и периоды этих изменений и колебаний, создавая таким образом новую сферу человеческого знания. Все эти широкие обобщения и смелые мысли высказы­ваются Чижевским впервые, что придает им большую ценность и возбуждает интерес. Этот труд является примером слияния различных наук воедино на монистической почве физико-математического анализа» 1 .

Лишь через много лет высказанные А, Л. Чижевским мысли и выводы о влиянии Солнца на земные процессы были подтвержде­ны на практике. Многочисленные наблюдения показали неоспо­римую зависимость массовых всплесков нервно-психических и сердечно-сосудистых заболеваний у людей при периодических циклах активности Солнца. Прогнозы так называемых «неблаго­приятных дней» для здоровья - обычное дело в наши дни.

Интересна мысль Чижевского о том, что магнитные возму­щения на Солнце в силу единства Космоса могут серьезно ска­зываться на проблеме здоровья руководителей государств. Ведь во главе большинства правительств многих стран стоят немоло­дые люди. Происходящие на Земле и в космосе ритмы, конеч­но же, влияют и на их здоровье и самочувствие. Особенно это опасно в условиях тоталитарных, диктаторских режимов. А ес­ли во главе государства стоят аморальные или психически ущербные личности, то их патологические реакции на косми­ческие возмущения могут привести к непредсказуемым и тра­гическим последствиям как для народов своих стран, так и всего человечества в условиях, когда многие страны обладают мощным оружием уничтожения.

Особое место занимает утверждение Чижевского о том, что Солнце существенно влияет не только на биологические, но и социальные процессы на Земле. Социальные конфликты (войны, бунты, революции), по убеждению А. Л. Чижевского, во многом предопределяются поведением и активностью на­шего светила. По его подсчетам, во время минимальной сол­нечной активности происходит минимум массовых активных социальных проявлений в обществе (примерно 5%). Во время же пика активности Солнца их число достигает 60%.

Многие идеи А. Л. Чижевского нашли свое применение в области космических и биологических наук.Они подтверждают неразрывное единство человека и космоса, указывают на их тес­ное взаимовлияние.

Весьма оригинальными были космические идеи первого представителя русского космизмаН. Ф. Федорова. Он возлагал большие надежды на будущее развитие науки. Именно она, по мнению Н. Ф. Федорова, поможет человеку продлить его жизнь, а в перспективе сделать бессмертным. Расселение людей на другие планеты из-за большого скопления станет необходи­мой реальностью. Космос для Федорова - активное поприще человеческой деятельности. В середине XIX в. он предлагал свой вариант перемещения людей в космическом пространстве. По мнению мыслителя, для этого надо будет овладеть электро­магнитной энергией земного шара, что позволит регулировать его движение в мировом пространстве и превратит Землю в космический корабль («земноход») для полетов в космос. В

К. Э. Циолковский. Ему принадлежит также ряд оригинальных философских идей. Жизнь, по Циолковскому, вечна. «После каж­дой смерти получается одно и то же - рассеяние... Мы всегда жи­ли и всегда будем жить, но каждый раз в новой форме и, разуме­ется, без памяти о прошлом... Кусочек материи подвержен бес­численному ряду жизней, хотя и разделенных громадными про­межутками времени...» 1 . В этом мыслитель весьма близок к индус­ским учениям о переселении душ, а также к Демокриту.

1 Циолковский К.Э.

Именно таким образом Циолковский представляет себе технологию «гуманитарной помощи». «Совершенный мир» бе­рет все заботы на себя. На других, более низких по развитию планетах им поддерживается и поощряется «только хорошее». «Всякое уклонение ко злу или страданиям тщательно исправля­ется. Каким путем? Да, путем отбора: плохое, или уклонившее­ся к дурному, оставляется без потомства... Могущество совер­шенных проникает на все планеты, на все возможные места жизни и всюду. Эти места заселяются их собственным зрелым родом. Не подобно ли это тому, как огородник уничтожает на своей земле все негодные растения и оставляет только самые лучшие овощи! Если и вмешательство не помогает, и ничего, кроме страданий, не предвидится, то и весь живой мир безбо­лезненно уничтожается...» 1 .

\ Циолковский К.Э. Указ. соч. - С. 378-379.

перспективе, по замыслам Федорова, человек объединит все миры и станет «планетоводом». В этом особенно тесно проявится единство человека и космоса.

Идеи Н. Ф. Федорова о расселении людей на другие плане­ты развивал гениальный ученый в области ракетостроения К. Э. Циолковский. Ему принадлежит также ряд оригинальных философских идей. Жизнь, по Циолковскому, вечна. «После каж­дой смерти получается одно и то же - рассеяние... Мы всеща жи­ли и всегда будем жить, но каждый раз в новой форме и, разуме­ется, без памяти о прошлом... Кусочек материи подвержен бес­численному ряду жизней, хотя и разделенных громадными про­межутками времени...» 1 . В этом мыслитель весьма близок к индус­ским учениям о переселении душ, а также к Демокриту.

На основании диалектической в своей основе идеи о все­общей жизни, везде и всегда существующей посредством пере­мещающихся и вечно живых атомов, Циолковский пытался по­строить целостный каркас «космической философии».

Ученый полагал, что жизнь и разум на Земле не являются единственными во Вселенной. Правда, в качестве доказательства он использовал лишь утверждение о том, что Вселенная безгра­нична, и считал это вполне достаточным. Иначе, «какой бы смысл имела Вселенная, если бы не была заполнена органическим, ра­зумным, чувствующим миром?». На основании сравнительной мо­лодости Земли им делается вывод о том, что на других «старших планетах жизнь гораздо более совершенна» 2 . Более того, она ак­тивно влияет на другие уровни жизни, включая земную.

В своей философской этике Циолковский сугубо рациона­листичен и последователен. Возводя в абсолют идею постоян­ного совершенствования материи, Циолковский видит этот процесс следующим образом. Не имеющее границ космическое пространство населено разумными существами различного уровня развития. Есть планеты, которые по развитию разума и могущества достигли высшей степени и опередили другие. Эти «совершенные» планеты, пройдя все муки эволюции и зная свое печальное прошедшее и былое несовершенство, обладают

" Циолковский К.Э. Грезы о Земле и небе. - Тула: Приок. кн. изд-во, 1986. -С. 380-381.

2 Циолковский К.Э. Указ. соч. - С. 378-379.

моральным правом регулировать жизнь на других, примитив­ных пока планетах, избавлять их население от мук развития.

Именно таким образом Циолковский представляет себе технологию «гуманитарной помощи». «Совершенный мир» бе­рет все заботы на себя. На других, более низких по развитию планетахим поддерживается и поощряется «только хорошее». «Всякое уклонение ко злу или страданиям тщательно исправля­ется. Каким путем? Да, путем отбора: плохое, или уклонившее­ся к дурному, оставляется без потомства... Могущество совер­шенных проникает на все планеты, на все возможные места жизни и всюду. Эти места заселяются их собственным зрелым родом. Не подобно ли это тому, как огородник уничтожает на своей земле все негодные растения и оставляет только самые лучшие овощи! Если и вмешательство не помогает, и ничего, кроме страданий, не предвидится, то и весь живой мир безбо­лезненно уничтожается...» 1 .

К. Э. Циолковский наиболее глубоко из современников изучал и освещал философские проблемы освоения космоса. Он полагал, что Земле во Вселенной принадлежит особая роль. Земля относится к более поздним планетам, «подающим наде­жду». Лишь небольшому числу таких планет будет дано право на самостоятельное развитие и мучения, в том числе и Земле.

В ходе эволюции со временем будет образован союз всех ра­зумных высших существ космоса. Сначала - в виде союза насе­ляющих ближайшие солнца, затем - союза союзов и так далее, до бесконечности, поскольку бесконечна сама Вселенная.

Нравственная, космическая задача Земли - внести свой вклад в совершенствование космоса. Оправдать свое высокое предназначение в деле совершенствования мира земляне могут, лишь покинув Землю и выйдя в космос. Поэтому Циолковский видит свою личную задачу в помощи землянам по организации переселения на другие планеты и расселения их по всей Все­ленной. Он подчеркивал, что суть его космической философии заключается «в переселении с Земли и в заселении Космоса». Именно поэтому изобретение ракеты для Циолковского было отнюдь не самоцелью (как полагают некоторые, видя в нем лишь ученого-ракетостроителя), а методом проникновения в глубины космоса.

1 Циолковский К.Э. Указ. соч. - С. 378-379.

Ученый полагал, что многие миллионы лет постепенно со­вершенствуют природу человека и его общественную организа­цию. В ходе эволюции человеческий организм претерпит суще­ственные изменения, которые превратят человека, по существу, в разумное «животное-растение», искусственно перерабаты­вающее солнечную энергию. Тем самым будет достигнут пол­ный простор для его воли и независимости от среды обитания. В конце концов человечество сможет эксплуатировать все око­лосолнечное пространство и солнечную энергию. А со време­нем земное население расселится по всему околосолнечному пространству.

Идеи К. Э. Циолковского о единстве разнообразных миров космоса, его постоянном совершенствовании, в том числе и самого человека, о выходе человечества в космос заключают в себе важный мировоззренческий и гуманистический смысл.

Сегодня уже возникают и практические проблемы влияния человека на космос. Так, в связи с регулярными космическими полетами есть вероятность непреднамеренного заноса в кос­мос, в частности на другие планеты, живых организмов. Ряд земных бактерий способны подолгу выдерживать самые экс­тремальные температурные, радиационные и иные условия су­ществования. Температурная амплитуда существования у неко­торых видов одноклеточных достигает 600 град. Как они себя поведут в иной неземной среде - предсказать невозможно.

В настоящее время человек начинает активно использовать космос для решения конкретных технологических задач, будь то выращивание редких кристаллов, сварка и другие работы. И уже давно получили признание космические спутники как средство сбора и передачи разнообразной информации.

7.5. Противоречия в системе: природа-биосфера-человек

Взаимоотношения природы и общества нельзя рассматри­вать вне противоречий, неизбежно возникающих и су­ществующих между ними. История совместного существования человека и природы представляет собой единство двух тенденций.

Во-первых, с развитием общества и его производительных сил по­стоянно и стремительно расширяется господство человека над природой. Сегодня это проявляется уже в планетарном масшта­бе. Во-вторых, постоянно углубляются противоречия, дисгар­мония между человеком и природой.

Природа, несмотря на все бесчисленное многообразие сво­их составных частей, есть единое целое. Именно поэто­му воздействие человека на отдельные части внешне покорной и мирной природы одновременно оказывает влияние, причем неза­висимо от воли людей, и на другие ее составляющие. Результаты ответной реакции часто бывают непредсказуемы, они плохо под­даются прогнозированию. Человек распахивает землю, помогая росту полезных ему растений, но из-за ошибок в земледелии смы­вается плодородный слой. Вырубка лесов под сельхозугодья лиша­ет почву достаточного количества влаги, и в результате поля вско­ре делаются бесплодными. Уничтожение хищников снижает со­противляемость травоядных и ухудшает их генофонд. Подоб­ный «черный список» локальных воздействий человека и от­ветной реакции природы можно продолжать бесконечно.

Игнорирование человеком целостного диалектического ха­рактера природы приводит к отрицательным последствиям как для нее, так и для общества. Об этом в свое время прозорливо писал Ф. Энгельс: «Не будем, однако, слишком обольщаться нашими победами над природой. За каждую такую победу она нам мстит. Каждая из этих побед имеет, правда, в первую оче­редь те последствия, на которые мы рассчитывали, но во вто­рую и третью очередь совсем другие, непредвиденные послед­ствия, которые очень часто уничтожают последствия первых» 1 .

Пробелы в общем уровне культуры, игнорирование поколе­ниями людей закономерностей и особенностей живого мира, к сожалению, печальная реальность и сегодняшнего дня. Горь­ким свидетельством тому, как упорно человечество не желает учиться на собственных ошибках, могут служить обмелевшие после вырубки лесов реки, засоленные в результате неграмот­ного орошения и ставшие непригодными для земледелия поля, высохшие моря (Аральское) и т.п.

Отрицательным как для природы, так и для общества ста­новится бесцеремонное вмешательство человека в окружающую

1 Маркс К., Энгельс Ф. Соч. Т. 20. - С. 495.

среду в наши дни, ибо последствия его из-за высокого уровня развития производительных сил зачастую носят ухе глобальный характер и порождают глобальные экологические проблемы.

Термин «экология», впервые употребленный немецким био­логомЭ. Геккелем в 1866 г., обозначает наукуо взаимоотноше­ниях живых организмов с окружающей средой. Ученый полагал, что новая наука будет заниматься только взаимоотношениями животных и растений со средой их обитания. Однако говоря сегодня о проблемах экологии (этот термин прочно вошел в нашу жизнь в 70-х гг. XX столетия), мы фактически имеем в виду социальную экологию - науку, изучающую проблемы взаимо­действия общества и окружающей среды.

Сегодня экологическую ситуацию в мире можно охаракте­ризовать как близкую к критической. Первая Конференция ООН по окружающей среде в 1972 г. официально констатиро­вала наличие на Земле глобального экологического кризиса всей биосферы. Сегодня налицо уже не локальные (регио­нальные), а глобальные (всемирные) экологические проблемы:

уничтожены и продолжают уничтожаться тысячи видов расте­ний и животных; в значительной мере истреблен лесной по­кров; стремительно сокращается имеющийся запас полезных ископаемых; мировой океан не только истощается в результате уничтожения живых организмов, но и перестает быть регулято­ром природных процессов; атмосфера во многих местах загряз­нена до предельно допустимых норм, чистый воздух становится дефицитом; на Земле практически нет ни одного квадратного метра поверхности, где бы не находилось искусственно создан­ных человеком элементов.

С началом космических полетов проблемы экологии пере­местились и в открытое космическое пространство. Неутилизи­рованные отходы от космической деятельности человека нака­пливаются в космосе, что также становится все более острой проблемой. Даже на Луне американские астронавты обнаружи­ли многочисленные обломки и остатки от искусственных спут­ников Земли, посланных туда в свое время человечеством. Можно уже сегодня говорить о проблеме космической эколо-" гии. Не решен вопрос о влиянии космических полетов на по­явление озоновых дыр в атмосфере Земли.

Возникла еще одна неведомая ранее проблема - экология и здоровье человека. Загрязнение атмосферы, гидросферы и почвы

привели к росту и изменению структуры человеческих заболе­ваний. Появляются новые болезни, принесенные цивилизаци­ей: аллергические, лучевые, токсические. Происходят генетиче­ские изменения в организме. В связи с крайне неблагоприят­ной экологической ситуацией в крупных промышленных горо­дах во много раз увеличилось число заболеваний верхних дыха­тельных путей. Сверхвысокий ритм жизни и информационные перегрузки привели к тому, что кривая сердечно-сосудистых, нервно-психических, онкологических заболеваний сделала рез­кий скачок вверх.

Становится совершенно очевидной пагубность потребитель­ского отношения человека к природе лишь как к объекту полу­чения определенных богатств и благ. Для человечества сегодня жизненно необходимо изменение отношения к природе и в ко­нечном счете к самому себе.

Каковы же пути решения экологических проблем^. Прежде всего следует перейти от потребительского, технократического подхода к природе к поискугармонии с нею. Для этого, в част­ности, необходим ряд целенаправленных мер по экологизации производства: применение природосберегающих технологий и производств, обязательная экологическая экспертиза новых проектов, а в идеале - создание безотходных технологий замк­нутого цикла, безвредных как для природы, так и для здоровья человека. Необходим неумолимый, жесткий контроль за произ­водством продуктов питания, что уже осуществляется во мно­гих цивилизованных странах.

Кроме того, нужна постоянная забота о поддержании дина­мического равновесия между природой и человеком. Человек должен не только брать у природы, но и отдавать ей (посадки лесов, рыборазведение, организация национальных парков, за­поведников и т.п.).

Однако ощутимый эффект перечисленные и другие меры могут принести лишь при условии объединения усилий всех стран для спасения природы. Первая попытка такого междуна­родного объединения была сделана в начале нашего века. В ноябре 1913 г. в Швейцарии собралось первое международное совещание по вопросам охраны природы с участием представи­телей 18 крупнейших государств мира. Ныне межгосударствен­ные формы сотрудничества выходят на качественно новый уро­вень. Заключаются международные концепции по охране окру-

жающей среды, осуществляются различные совместные разработ­ки и программы. Активна деятельность «зеленых» (общественных организаций по защите окружающей среды - «Гринпис»). Экологический интернационал Зеленого Креста и Зеленого Полумесяца в настоящее время разрабатывает программу по решению проблемы «озоновых дыр» в атмосфере Земли. Следу­ет, однако, признать, что из-за весьма различного уровня соци­ально-политического развития государств мира международное сотрудничество в экологической сфере еще весьма далеко от желаемого и необходимого уровня.

Другой мерой, направленной на улучшение взаимоотноше­ний человека и природы, являетсяразумное самоограничение в расходовании природных ресурсов, особенно энергетических источников, имеющих для жизни человечества важнейшее зна­чение. Подсчеты международных экспертов показывают, что если исходить из современного уровня потребления, то запасов угля хватит на 430 лет, нефти - на 35 лет, природного газа - на 50. Срок, особенно по запасам нефти, не такой уж и боль­шой. В связи с этим необходимы разумные структурные изме­нения в мировом энергобалансе в сторону расширения приме­нения атомной энергии, а также поиск новых, эффективных, безопасных и максимально безвредных для природы источни­ков энергии.

Еще одним важным направлением решения экологической проблемы является формирование в обществе экологического сознания, понимания природы как другого существа, над кото­рым нельзя властвовать без ущерба для себя. Экологическое обучение и воспитание в обществе должны быть поставлены на государственный уровень и проводиться с раннего детства.

С большим трудом, совершая мучительные ошибки, челове­чество постепенно все больше начинает осознавать необходи­мость перехода от потребительского отношения к природе к гармонии с ней.

Вопросы для повторения

1. Чем отличаются понятия: «живое вещество», «биосфера», «биоценоз», «биогеоценоз»?

2. Каков характер эволюции и развития биосферы? В чем сущность учения В. И. Вернадского о биосфере и ноо­сфере?

3. В чем сущность концепций географического детерми­низма? Что в них рационально, а что преувеличено?

4. Каково взаимоотношение понятий: «природа», «геогра­фическая среда», «окружающая среда»?

5. Что такое техносфера? Какова ее роль в эволюции био­сферы?

6. В чем выражается взаимовлияние космоса и Земли? Что характерного подметили в этих взаимоотношениях пред­ставители русского космизма?

7. В чем выражается противоречивость взаимоотношений человека и природы?

Мы убедились на ряде примеров, что работа производится тогда, когда теплота переходит от горячего тела (нагревателя) к холодному (холодильнику), причем холодильник получает меньше теплоты, чем отдает нагреватель. Внутренняя энергия нагревателя убывает не только потому, что он передает теплоту холодильнику, но также и потому, что производится работа.

Выясним, при каких условиях имеет место обратный процесс - передача теплоты от холодного тела к горячему?

Примером такого рода могут служить холодильные машины, применяемые в пищевой промышленности (для изготовления мороженого, для хранения мяса и т. п.). Схема устройства компрессорной холодильной машины является обратной устройству паросиловой установки.

Она показана на рис. 530. Рабочим веществом в холодильной машине обычно служит аммиак (иногда углекислый газ, сернистый ангидрид или какой-либо из галоидоводородов, получивших специальное название «фреоны»). Компрессор 1 нагнетает пары аммиака под давлением 12 в змеевик 2 (он соответствует конденсатору). При сжатии пары аммиака нагреваются, и их охлаждают в баке 3 проточной водой. Здесь пары аммиака обращаются в жидкость. Из змеевика 2 аммиак через вентиль 4 поступает в другой змеевик 5 (испаритель), где давление около 3 атм.

При прохождении через вентиль часть аммиака испаряется и температура понижается до -10 . Из испарителя аммиак отсасывается компрессором. Испаряясь, аммиак заимствует теплоту, необходимую для испарения, от окружающего испаритель соляного раствора (рассола). Вследствие этого рассол охлаждается примерно до -8°С. Таким образом, рассол играет роль холодного тела, отдающего теплоту горячему телу (проточной воде в баке 3). Струя охлажденного рассола направляется по трубам в охлаждаемое помещение. Искусственный лед получают, погружая в рассол металлические коробки, наполненные чистой водой.

Кроме компрессорных холодильных машин, для бытовых целей применяют абсорбционные холодильные машины, где сжатие рабочего газа достигается не при помощи компрессора, а путем абсорбции (поглощения, растворения) в подходящем веществе. Так, в бытовом холодильнике (рис. 531) крепкий водный раствор аммиака () нагревается электрическим током в генераторе 1 и выделяет газообразный аммиак, давление которого достигает 20 атм. Газообразный аммиак после осушки (в осушителе, не показанном на схеме) конденсируется в конденсаторе 2. Сжиженный аммиак поступает в испаритель 3, где он вновь превращается в газ, заимствуя у испарителя значительное количество теплоты. Газообразный аммиак абсорбируется (растворяется в воде) в абсорбере 4, где, таким образом, вновь образуется крепкий раствор аммиака, который перетекает в генератор 1, вытесняя оттуда обедненный (после выделения газа) раствор в абсорбер. Так осуществляется непрерывный цикл, причем внутри охлаждаемого объема (шкафа) помещается испаритель (сильно охлаждаемый при испарении аммиака), а все остальные части расположены вне шкафа.

Рис. 530. Схема устройства компрессорной холодильной машины

Возникает вопрос, почему в конденсаторе газообразный аммиак сжижается, а в испарителе он испаряется, хотя температура испарителя ниже, чем температура конденсатора? Это достигается благодаря тому, что вся система заполнена водородом при давлении около 20 атм. Когда нагревают генератор, то газообразный аммиак выделяется из кипящего раствора, причем давление его доходит примерно до 20 атм. Аммиак вытесняет водород из верхней части генератора и конденсатора в испаритель и абсорбер. Таким образом, аммиак в конденсаторе находится под собственным высоким давлением и поэтому сжижается при температуре, близкой к комнатной, в испаритель же жидкий аммиак попадает под низким парциальным давлением, а находящийся в испарителе водород обеспечивает нужное суммарное давление, равное давлению в конденсаторе и других частях системы.

Рис. 531. Схема устройства абсорбционной холодильной машины

Смесь водорода и газообразного аммиака из испарителя переходит в абсорбер, где аммиак растворяется в воде, что вызывает нагревание раствора, а водород проходит сквозь теплый раствор и, нагревшись там, переходит благодаря конвекции в холодный испаритель. На место же растворившегося аммиака в испарителе испаряются его новые порции, вызывая дальнейшее охлаждение испарителя. Преимущество этой конструкции состоит в отсутствии движущихся механических частей. Циркуляция аммиачного раствора (между 1 и 4) и циркуляции водорода (между 4 и 3) осуществляется за счет разности плотностей, обусловленной разностью температур (раствор в 1 горячее, чем в 4, а водород и 4 теплее, чем в 3).

• · Постулат Клаузиуса : «Невозможен процесс, единственным результатом которого являлась бы передача тепла от более холодного тела к более горячему» (такой процесс называется процессом Клаузиуса ).
• · Постулат Томсона (Кельвина) : «Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара» (такой процесс называется процессом Томсона ).

Эквивалентность этих формулировок легко показать. В самом деле, допустим, что постулат Клаузиуса неверен, то есть существует процесс, единственным результатом которого была бы передача тепла от более холодного тела к более горячему. Тогда возьмем два тела с различной температурой (нагреватель и холодильник) и проведем несколько цикловтепловой машины, забрав тепло у нагревателя, отдав холодильнику и совершив при этом работу

После этого воспользуемся процессом Клаузиуса и вернем тепло от холодильника нагревателю. В результате получается, что мы совершили работу только за счет отъёма теплоты от нагревателя, то есть постулат Томсона тоже неверен.

С другой стороны, предположим, что неверен постулат Томсона. Тогда можно отнять часть тепла у более холодного тела и превратить в механическую работу. Эту работу можно превратить в тепло, например, с помощью трения, нагрев более горячее тело. Значит, из неверности постулата Томсона следует неверность постулата Клаузиуса.

Таким образом, постулаты Клаузиуса и Томсона эквивалентны.

Другая формулировка второго начала термодинамики основывается на понятии энтропии:

· «Энтропия изолированной системы не может уменьшаться» (закон неубывания энтропии).

Такая формулировка основывается на представлении об энтропии как о функции состояния системы, что также должно быть постулировано.

Второе начало термодинамики в аксиоматической формулировке Рудольфа Юлиуса Клаузиуса (R. J. Clausius, 1865) имеет следующий вид :

Для любой квазиравновесной термодинамической системы существует однозначная функция термодинамического состояния

называемая энтропией, такая, что ее полный дифференциал

В состоянии с максимальной энтропией макроскопические необратимые процессы (а процесс передачи тепла всегда является необратимым из-за постулата Клаузиуса) невозможны.

Ограничения вывода формулы для дифференциала энтропии, данного Клаузиусом, заключаются в предположении об идеальности газа, свойства которого приводят к существованию интегрирующего множителя. Этот недостаток был устранен Каратеодори в работе "Об основаниях термодинамики" (1909). Каратеодори рассматривал множество состояний, достижимых адиабатическим путем (т.е. без теплообмена с окружающей средой). Уравнение, описывающее такое множество этих состояний в дифференциальной форме, является пфаффовой формой. Используя известные из анализа условия интегрируемости пфаффовых форм, Каратеодори пришел к следующей формулировке второго закона:

· В окрестности любого состояния системы существуют состояния, не достижимые адиабатическим путем.

Такая постановка не ограничивает системы, подчиняющихся второму закону термодинамики, только идеальными газами и телами, способными совершать замкнутый цикл при взаимодействии с ними. Физический смысл аксиомы Каратеодори повторяет формулировку Клаузиуса.

Второй закон связан с понятием энтропии, являющейся мерой хаоса (или мерой порядка). Второй закон термодинамики гласит, что для вселенной в целом энтропия возрастает.

Существует два классических определения второго закона термодинамики:

· Кельвина и Планка

Не существует циклического процесса, который извлекает количество теплоты из резервуара при определенной температуре и полностью превращает эту теплоту в работу. (Невозможно построить периодически действующую машину, которая не производит ничего другого, кроме поднятия груза и охлаждения резервуара теплоты)

· Клаузиуса

Не существует процесса, единственным результатом которого является передача количества теплоты от менее нагретого тела к более нагретому. (Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара)

Оба определения второго закона термодинамики опираются на первый закон термодинамики, утверждающий, что энергия убывает.