Действие второго начала термодинамики и законов распределения
Второе начало термодинамики (второе начало) имеет несколько формулировок. Одна из них: перпетуум мобиле второго рода построить нельзя. Перпетуум мобиле второго рода – вечный двигатель второго рода – тепловая машина, которая все тепло, получаемое от сжигания топлива переводит в работу, то есть такая машина, у которой коэффициент полезного (КПД) действия равен 100% . Оказывается машину с КПД равным 100% нельзя построить в принципе. Все машины – машины реальные. Французский механик Сади Карно ввел понятие их идеала (идеальной тепловой машины). Идеальной машины на практике не существует, как и в общественной жизни: полностью идеальных людей не бывает, но к идеалу надо стремиться. Идеальную машину так же нельзя построить с КПД 100%. Существует и вечный двигатель первого рода (перпетуум мобиле первого рода), под которой понимается тепловая машина, которая совершает работу без затрат энергии. И такую машину построить нельзя, хотя делаются попытки ее построить.
Оказывается в физике узаконено, что часть тепла тепловая машина обязательно должна терять! А сколько минимально следует терять? Столько, сколько теряет идеальная тепловая машина, но такая машина, как указывалось выше, в природе не существует, но к ней можно сколько угодно близко приблизиться.
Следующая формулировка второго начала излагается с использованием понятия энтропии, изменение которой находится по формуле
, (1)
где - изменение тепла при абсолютной температуре.
Формулировка второго начала с привлечением энтропии: самопроизвольно процессы в природе протекают в направлении возрастания энтропии (если не считать флуктуаций, о которых мы писали в «ДВ»). Если ввести цену тепла, то процессы в природе самопроизвольно протекают в направлении обесценивания тепла (тепло – мера изменения внутренней энергии), то есть
, (2)
где - цена тепла. В данной формуле мы сохранили и знак равенства, что справедливо только для идеального случая. Второе начало действует и в биологических процессах, и в общественной жизни люде.
Биологический объект это и тепловая машина.
В этом столетии предполагается полет на Марс. Длительный будет полет. Некоторые фантазируют о том, что будет разработана такая пища, которая полностью будет усваиваться человеческим организмом, то есть в космическом аппарате туалет не потребуется. Но это не так! Без туалета никак нельзя, как того требует второе начало. Существуют микроскопические образования – вирусы. Они так же ходят по нужде!
Если рассматривать общественную жизнь людей, то второе начало является основой инфляции. Явление инфляции – закономерное явление. Имеется по крайней мере две социальные системы: социалистическая и капиталистическая. При социализме вы приходите в магазин и покупаете товар, например, булки хлеба. Платите 20 коп. за булку. Приходите через месяц – платите 20 коп. за булку, приходите через год – платите 20 коп…. В формуле (2) следует оставить знак равенства, то есть в этом случае формула (2) представится в виде:
Как было сказано выше, знак равенства ставится только для идеальной системы. Такие системы в природе не существуют. Таким образом, социалистическая система – идеальная система. Сама собой она существовать не может, необходимы усилия для ее поддержания.
При капитализме вы приходите покупать те же булки хлеба. В первый месяц цена булки - 3 руб., через месяц цена булки - 4 руб., через два месяц – 5 руб….
Здесь знак неравенства. Это есть реальная система, процесс совершается самопроизвольно, без насилия.
Второе начало основа старения: телевизор когда-то перестанет работать, автомобиль со временем сгниет, заржавеет…
Поскольку этот закон объективный, то им следует умело пользоваться!
В Японии работал корреспондентом Цветов, который периодически по телевидению сообщал из Японии об организации их производства, экономике, политике…Беседовал он и с руководством фирмы «Шарп», в которой каждый сотрудник должен вносить рационализаторские предложения с целью повышения эффективности работы фирмы. У некоторых такие предложения приносили эффект, а у других нет. Но всем шла дополнительная плата. Естественно, тем, у которых предложение проходило, получали хорошее вознаграждение, а те, у которых оно не внедрялось, также получали вознаграждение, хотя и символическое. Цветов поинтересовался у руководства о том, что они в этом случае выбрасывают деньги на ветер. Но руководство на это ответило, что высококачественную сталь нельзя получить без шлака.
Следующим фундаментальным законом природы являются законы распределения.
Например, в физике существует закон Максвелла – закон распределения молекул газа по скоростям. С какими скоростями движутся молекулы ,например, воздуха в комнате? С разными. Имеется ряд молекул, скорости которых в данное мгновение равны нулю, у других - чуть отличны от нуля, имеются и молекул, скорости которых достаточно большие…В общем в данном газе можно отметить любые скорости. Нагреем газ. Что изменится? В этом газе имеются молекулы, у которых в данный момент скорости равны нулю. Найдутся молекулы, скорости которых чуть отличны от нуля, найдутся и такие молекулы, скорости которых достаточно большие… Так чем отличаются два состояния данного газа? Отличие имеется и оно существенное. Отличаются они средними скоростями, с которыми движется наибольшее число молекул.
Чтобы понятнее был закон распределения, приведем пример из общественной жизни.
Рассмотрим массовый спортивный забег из пункта А в пункт Б. Вначале побежали все курсанты военного училища. Ребята тренированные, их постоянно заставляют бегать на различные дистанции. Через некоторое время найдется ряд курсантов, которые сойдут с дистанции на обочину и начнут перематывать портянки, натерли ноги, образовались мозоли. Будут курсанты, которые хромают, но бегут, вот - вот остановятся. Естественно, найдутся и те, которые убегут далеко (спортсмены). Но имеется и такая скорость, с которой будет перемещаться наибольшее число курсантов. График распределения дан на Рис.1 (кривая 1) .
Рис.1.
А теперь по этому маршруту производят забег студенты всех курсов гражданского вуза, включая девушек. В большей массе они плохо бегают. Через некоторое время ряд студентов и студенток окажется на обочине: те же мозоли, отломались шпильки в туфлях…Другие вот-вот остановятся. Естественно, и здесь найдутся прыткие, которые убегут далеко (и в гражданском вузе имеются спортсмены)… Но и для них будет существовать такая скорость, с которой будет двигаться основная масса студентов гражданского вуза. Чем же отличаются данные забеги? В каждом забеге можно зафиксировать любые скорости (в ограниченном промежутке). Главное отличие в том, что будут разные скорости, с которыми движется большее число бегунов. График второго забега дан на Рис.1 (кривая 2 )
Данные графики описываются функциями распределения соответствующей величины (в теории вероятностей – это дифференциальная функция распределения плотности вероятностей).
С подобными законами распределения мы сталкиваемся повседневно.
При обучении преподаватель имеет дело с рядом функций распределения: распределение обучаемых по зрительному восприятию предлагаемой информации, распределение обучаемых по слуховому восприятию информации, распределение обучаемых по знаниям изучаемого предмета по техническим способностям (что является очень важным для технического вуза), по математическим способностям…
А как же тогда обучать? На каких студентов ориентироваться? Чтобы обучение проходило на научной основе, эти функции распределения следует знать. В Уссурийском филиале Дальневосточного государственного университета путей сообщения мы этим и занимаемся. Мы определяем темперамент по Айзенку и десять характеристик с выводом общего показателя интеллекта по Амгхауэру. Определяем вербальные, вычислительные, пространственные, технические способности.
Прежде всего это необходимо самим студентам. Они должны знать себя, с тем чтобы положительные качества свои усиливать, а отрицательные качества изживать из себя.
В квантовой механике в основном занимаются тем, что находят соответствующие функции распределения: функция распределения плотности вероятности нахождения частицы в соответствующих квантовых состояниях потенциальных ям: одномерной, трехмерной (твердое тело), сферической (атом, ядро) в соответствующем состоянии.
В теории измерения получаются случайные величины, которые группируются в окрестности их среднего значения (истинного значения), а в теории вероятностей они группируются в окрестности математического ожидания. Для объяснения этого можно ввести динамику: силовое поле, нелинейное взаимодействие. Нелинейное взаимодействие – воздействие системы на себя. Такое наблюдается и в общественной жизни. Стремящиеся к финишу спортсмены (особенно для получения золотой медали) сильно воздействуют друг на друга.
Общественная личность – это воздействующая на себя система. Задача обучения состоит не только в том, чтобы дать обучаемым сумму знаний, но и в том, чтобы сформировать у них стремление к самовоспитанию и самообучению, а это возможно только в случае, если они хорошо будут знать себя. В процессе обучения, естественно, не следует ориентироваться только на отдельную группу студентов, например, на имеющих слабые знания, с тем чтобы успевали все, как того требовали при социализме. В этом случае сильных подтягивали к слабым. При обучении предлагаемая для усвоения информация должна так же иметь соответствующую функцию распределения (и для сильных, и чтобы слабые понимали …).
Существовали попытки образовать учебные группы только, например, из сильных обучаемых. Через некоторое время возникал ряд распределений: из сильных выделялись наиболее сильные, появлялись свои слабые…
Интересный получается вывод: поскольку законы распределения одного параметра по другому являются фундаментальными законами природы, то в каждом обществе должны быть не только положительные и очень положительные люди, но и …дураки. Скромно сказано. На самом деле любое цивилизованное общество не может существовать без своих отбросов общества дураков, бомжей, ханыжников…
При социализме создавались региональные научные Центры (ДВНЦ, Академгородок г. Новосибирска, Дубна…), где концентрировались умнейшие люди: академики, доктора и кандидаты наук… В одном из таких Центров возникла страшнейшая конфликтная ситуация (людей с совещаний выносили на носилках). Причины? Их ряд, но фундаментальной основой данных конфликтных ситуаций (как и во всех государственных устройствах, общественных группах…) является законы распределения. В среде умнейших людей начал действовать закон распределения: из умнейших стали выделяться наиумнейшие и те, которые должны оставаться в …дураках. А в страну дураков (как это в известной сказке) не всякий хотел отправляться, так как у него диплом доктора и аттестат профессора. Вот вам и конфликт. Распределение людей по богатству (расслоение общества на сверх богатых, богатых, средних, бедных, отбросов) – реальный закон природы. Уравнивание всех – идеальное стремление. Но получается неустойчивая система, для ее поддержания необходимы усилия. Здесь приведен пример об источнике конфликта в научном Центре. Реальный закон распределения в обществе (противоречия между бедными и богатыми) всегда являлся источником конфликта (восстаний, революций, пикетирования, перекрытия дорог…).
Настанет время, когда обществу надо будет определиться в выборе системы, так как сожжем уголь, нефть, газ…
Здесь возможны два пути. Первый путь (капиталистический) связан с уменьшение числа людей на планете. Оставить необходимо примерно миллиард населения («золотой миллиард») с распределением (расслоением) по богатству на сверх богатых, богатых… и бедных-слуг богатых. Человечество продержится несколько большее время, а затем с таким законом распределения и встретит апокалипсис. Второй путь (социалистический) связан с примерно равным распределением богатств на каждую душу с очень сильными ограничением потребностей. Система крайне неустойчива, так как в обществе имеется совокупность людей, у которых в генах заложено стремление не работать и жить богато за счет других. Поэтому для удержания такой системы необходимы усилия (бывало и расстреливали при уже существовавшем социализме).
Примером может служить катастрофа СССР. Как только «отпустили вожжи», так сразу закон распределения по богатству проявил себя «во всей красе»: произошло мгновенное расслоение на сверх богатых, богатых… обнищавших, бомжей…
Здесь мы в краткой форме продемонстрировали действие некоторых физических законов в биологии и общественной жизни. Физические законы – это фундаментальные законы природы, особенно те, основу которых составляют случайные события. К ним следует относиться серьезно.
На одном предприятии США образовали структуры , должности в которых заполнили сотрудниками так, как заполняют микрочастицы ( фермионы, бозоны) квантовые состояния.