Тема 18: Принцип возрастания энтропии

1.Энтропия системы может изменяться …

как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения, если система открытая

только в сторону уменьшения, если система изолированная

только в сторону увеличения, если система открытая

как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения, если система изолированная

Решение:

Второй закон термодинамики запрещает понижение энтропии изолированной системы. Все остальное не запрещено, то есть может происходить в реальности, в частности любое изменение энтропии системы открытой.

2. С точки зрения термодинамики, отапливать дома электрообогревателями крайне невыгодно, поскольку …

при этом высококачественная электрическая энергия целенаправленно превращается в низкокачественную тепловую

электрическую энергию трудно превратить в тепловую без больших потерь

это требует прокладки мощных линий электропередачи и строительства технически сложных и дорогих подстанций

электрообогреватели гораздо опаснее для здоровья населения, чем привычные батареи, по которым циркулирует горячая вода

Решение:

Современные электрообогреватели, например, масляные, не более вредны для здоровья, чем радиаторы центрального отопления. Превращение электроэнергии в теплоту не требует сложных устройств, и потому даже очень эффективные и мощные электрообогреватели стоят недорого. Строить линии электропередачи и подстанции тоже существенно дешевле, чем тянуть трубопроводы горячей воды, постоянно их ремонтировать, мириться с тем, что они обогревают не столько дома, сколько окружающую среду.

Однако с точки зрения термодинамики, электрообогреватели – чистое расточительство. Сначала на тепловой или атомной электростанции с большими трудностями превращают теплоту, получаемую от атомного реактора или сгорающего топлива, в электроэнергию, причем 60% и более этой теплоты бесполезно рассеивается в окружающей среде. Эти потери можно оправдать, если за счет полученной высококачественной электроэнергии делать что-нибудь сложное – например, питать компьютер, телевизор или прецизионный станок. Но если втыкать в розетку электрообогреватель и сразу перегонять высококачественную электроэнергию в теплоту …

Зачем, спрашивается, тогда нужны ЭЛЕКТРОстанции?

3. Не относится к числу известных в физике и вообще в естественных науках форм энергии …

положительная и отрицательная психоэнергия

потенциальная и кинетическая энергия

ядерная энергия

тепловая энергия

Решение:

В естествознании энергия – это физическая величина, то есть характеристика материальных объектов, которую возможно объективно измерить и выразить числом. В обыденной речи и в псевдонауках типа парапсихологии или экстрасенсорики понятие «энергия» часто используется в смысле, близком к понятию «жизненная сила», то есть как характеристика активности объекта или, чаще, субъекта. Естественно, «энергия» в этом смысле является лишь метафорой и не может быть измерена, тем более объективно, и выражена числом.

4. Обозначим:

– количество энтропии, которое Земля ежегодно получает с потоком солнечного света;

– количество энтропии, которое Земля ежегодно отправляет в космос с потоком собственного теплового излучения;

– количество энтропии, которое ежегодно производится на Земле во всех происходящих на ней процессах.

Тогда, учитывая, что на Земле с течением времени постоянно возникали все более сложные и упорядоченные структуры (например, биосфера и человеческое общество), должно иметь место неравенство …

Решение:

Возникновение структур означает рост упорядоченности. Поскольку энтропия есть мера беспорядка, возникновение структур на Земле должно было сопровождаться понижением энтропии планеты. А это возможно лишь в том случае, если отвод энтропии с Земли в космическое пространство перекрывает ее поступление на Землю с солнечным светом и собственное производство вместе взятые, или, по крайней мере, компенсирует эти две «приходные статьи»:

5. С точки зрения термодинамики, предприятия электроэнергетики …

превращают неудобные для использования формы энергии частично в электроэнергию, частично в низкокачественные формы энергии

превращают низкокачественные формы энергии полностью в высококачественную электрическую энергию

создают электрическую энергию из различных веществ

производят на выходе больше электрической энергии, чем потребляют тепловой, ядерной или другой энергии на входе

Решение:

Устройство, которое производит больше энергии, чем потребляет, – это вечный двигатель первого рода. Он запрещен первым законом термодинамики.

Устройство, полностью превращающее низкокачественную энергию в высококачественную, – это вечный двигатель второго рода. Он запрещен вторым законом термодинамики.

Утверждение о создании энергии из вещества с точки зрения термодинамики бессмысленно или, как минимум, неграмотно. Любое вещество обладает энергией, и задача термодинамики заключается в изучении превращений этой энергии в различных процессах.

Следовательно, электроэнергетика, с точки зрения термодинамики, – это превращение неудобных для использования форм энергии в удобную электрическую энергию за счет перевода части входной энергии в низкокачественные формы – в конечном счете, в теплоту.

6. Одинаковые количества чистого кремнезема (диоксида кремния SiO₂) при одном и том же давлении (атмосферном) находятся в разных состояниях (определяемых температурой и историей образца) – пара, расплава, горного хрусталя (кристалл), кварцевого стекла (аморфного). Из них самой низкой энтропией обладает …

горный хрусталь

кварцевое стекло

расплав SiO₂

пар SiO₂

Решение:

Энтропия есть мера молекулярного беспорядка. Поэтому при прочих равных условиях она тем ниже, чем упорядоченнее расположены и движутся молекулы. Очевидно, что этому условию соответствует кристаллическое состояние кремнезема (горный хрусталь), в котором все молекулы SiO₂ расположены абсолютно упорядоченно, в узлах правильной кристаллической решетки, а их движение сводится к небольшим колебаниям относительно равновесных положений. В структуре стекла молекулы расположены неупорядоченно, хотя также практически не способны покинуть свои места. Молекулярная структура расплава похожа на структуру стекла, но молекулы обладают большей свободой неупорядоченного теплового движения и способны покидать свои места. Наибольшей разупорядоченностью как в отношении расположения, так и движения молекул, естественно, обладает пар.

7. В классической книге Ю. Одума «Основы экологии» говорится, что при протекании потока энергии по трофическим цепям качество энергии на каждом следующем трофическом уровне существенно выше, чем на предыдущем. Это не противоречит второму закону термодинамики, требующему, чтобы качество энергии во всех процессах в целом понижалось, поскольку …

с каждого трофического уровня на следующий переходит не более 10 % энергии (высококачественной), а остальные 90 % (низкокачественной) энергии рассеиваются в окружающей среде

законы термодинамики, в том числе второй закон, сформулированы в физике, которая занимается изучением неживой природы, а функционирование экосистем определяется живыми организмами

выводы Одума являются чисто умозрительными, философскими, и не могут сопоставляться с таким строгим количественным законом природы, как второй закон термодинамики

согласно четвертому закону экологии, сформулированному не менее известным экологом Б. Коммонером, «природа знает лучше»

Решение:

В целом качество энергии по мере ее протекания сквозь экосистему понижается, поскольку на каждом трофическом уровне не менее 90 % энергии переходит в низкокачественные формы (большей частью, по свидетельству того же Ю. Одума, в теплоту) и отдается в окружающую среду. Тот остаток энергии, который, согласно известному в экологии «правилу 10 %», переходит на более высокий трофический уровень и отличается высоким качеством, общей тенденции к понижению качества энергии изменить не может.