Engineer Gena.

engineer_gena@mail.ru

 

Читая статьи противников эволюции, я обратил внимание на примечательный момент – довольно часто в качестве аргумента ими приводятся высказывания на тему того, что второе начало термодинамики запрещает самоусложнение систем. Энтропия де возрастает, поэтому в рамках современного естествознания термодинамика вступает в противоречие с теорией эволюции. При этом остается неясным ряд моментов, в том числе – представляют ли сии агитаторы, что есть энтропия, где она возрастает, какой именно теории эволюции противоречит второй закон термодинамики и т.д. Вследствие этого я решил схематически обрисовать проблему, дабы показать совершенную несостоятельность подобных аргументов.

1. Что такое термодинамика? Термодинамика – наука о наиболее общих свойствах макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и о процессах перехода между этими состояниями (БСЭ). Изначально данное направление физики зародилось для описания работы тепловых машин (на то время – исключительно паровой машины). Огромный вклад в развитие термодинамики внесли химики при построении теории химических процессов. При этом данная наука оперирует рядом понятий, являющихся в высшей степени абстрактными – энтальпией, энтропией, энергией Гельмгольца и т.д. Если в случае идеального газа в закрытом сосуде еще можно механистически представить природу этих величин, то кто мне объяснит, что есть энергия Гиббса для кролика?

Совершенно непонятно, почему господа антиэволюционисты без проблем принимают термодинамику, и как данная область науки согласуется с их мировоззрением. Не хочется верить, но, по-видимому, фразой «энтропия возрастает» их знания в этой области ограничиваются. Следует также отметить, что границы применимости термодинамики – весьма непростой вопрос.

2. Постулаты (начала) термодинамики. Чаще всего упоминается второе начало термодинамики в виде «Энтропия изолированной системы не может уменьшаться». При этом непонятно, почему выбрана именно данная формулировка, судя по всему из-за наличия в ней умного слова «энтропия». Исторически более ранними, и более наглядными формулировками были:

«Невозможен процесс, единственным результатом которого являлась бы передача тепла от более холодного тела к более горячему» ( Р. Клаузиус)

«Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара» (Кельвин).

Совершенно резонно предположить, что при наличии второго постулата есть и первый. Первое начало термодинамики – это закон сохранения энергии в приложении к изучаемым системам.

Есть и третий постулат, но к нашей теме он отношения не имеет (с его помощью можно измерить абсолютную величину энтропии).

Что же следует из этих начал? Во-первых, энергия не может возникать ниоткуда. Во-вторых, нельзя собрать уже «использованную» (диссепированную, рассеянную) энергию и вновь использовать ее для совершения работы. Исходя из этого, Р. Клаузиус и выдвинул концепцию тепловой смерти Вселенной, когда вся энергия рассеется, а температура выровняется ( в таком виде, кстати, к настоящему моменту концепция признана несостоятельной). Внимание, вопрос! Так чем первое и второе начала термодинамики противоречат существованию самоусложняющихся систем?

3. Энтропия. Мне могут возразить, что я «А» подменил «Б». Вместо умной и красивой энтропии я пишу про какие-то резервуары и горячие тела, которые становятся холодными. На это я отвечу – все три формулировки второго начала признаны эквивалентными. Но если кто-то хочет энтропию, то энтропию – в студию!

Первоначально Клаузиусом энтропия (вернее, ее изменение) была введена в виде (для изотермического процесса)

(d)S = (d)Q/T, 

где (d) S – изменение энтропии, (d)Q – изменение общего количества теплоты, Т-абсолютная температура.

Спрашивается, причем здесь хаос, мера упорядоченности и т.п.? Рассмотрим формулу Больцмана, связывающую микросостояний системы с ее энтропией:

S=k*lnN,

Где S – энтропия, k – постоянная Больцмана, а N – число возможных микросостояний системы. Т.о., при возрастании S должно увеличиваться число микросостояний, которым реализуется данное макросостояние. Чем более структурирована система, тем меньшим числом микросостояний она реализуется, т.е. ее энтропия меньше, а в процессе структурирования происходит ее уменьшение.

4. Процессы, идущие с уменьшением энтропии. Некоторые товарищи хотят заявить, что энтропия никогда не может уменьшаться. Им я советую взять банку, налить в нее кипяток, растворить соль, пока не перестанет растворяться и оставить остывать. Что произойдет? Правильно, произойдет выпадение высокоупорядоченных кристаллов соли из неупорядоченного раствора – процесс, связанный с большим УМЕНЬШЕНИЕМ энтропии. Или кто-то скажет, что кристаллы не выпадут? Попробуйте! Не надо только потом опровергать термодинамику. Та же ситуация происходит при замерзании воды, конденсации пара и т.п. Примеров процессов, идущих с понижением энтропии – масса.

Причина в том, что все приведенные примеры иллюстрируют неизолированные системы. Представим вместо банки с раствором соли идеальный термос. Он не будет остывать, соответственно, никакие кристаллы образовываться не будут. Более того, если мы нальем в термос кипяток и насыплем соль, то она будет растворяться до перехода системы в равновесное состояние (когда скорость выпадения сравняется со скоростью растворения, образуется насыщенный раствор). Энтропия при этом движении к равновесию будет возрастать, а температура – уменьшаться.

Живые существа по отдельности и биосфера в целом, ни при каком приближении не являются изолированными системами. Животные потребляют пищу, переводя сложные вещества в простые. Их (животных) энтропия понижается, суммарная энтропия (животного и пищи) растет. Растения, при производстве сахаров из углекислого газа, используют непрерывный поток солнечной энергии, поступающий на землю. Биосфера в целом получает энергию от солнца и рассеивает ее в космос в виде тепла.

5. В первом приближении можно считать, что биохимические процессы происходят при постоянных температуре и давлении. При данных условиях принципиальная возможность протекания процесса определяется не энтропией, а энергией Гиббса G (свободной энергией). Процесс возможен только в том случае, если G в начальном состоянии систем больше, чем в конечном, т.е. (d)G<0.

Теперь посмотрим, что же такое G:

Где G – энергия Гиббса, Н – энтальпия, S- энтропия.

где U- внутренняя энергия. Т.о., изменение энтальпии – это изменение внутренней энергии за вычетом работы против внешнего давления (напомню, мы рассматриваем систему при постоянном давлении и переменном объеме).

Что же видно из данных формул? Равновесное состояние системы определяется двумя факторами:

а) система стремиться к состоянию с минимальной внутренней энергией;

б) система стремиться к состоянию с максимальной энтропией. С ростом температуры значение второго фактора возрастает.

 

Т.о., принципиальная возможность процесса определяется не ростом энтропии, а суммой двух факторов. Если падение энтропии будет компенсировано падением внутренней энергии, то процесс возможен. В замкнутой системе (d)H=0 (из первого начала), следовательно, процесс с уменьшением энтропии невозможен. В открытой – пожалуйста.

Вспомним про раствор соли. При растворении соли внутренняя энергия возрастает, т.к. требуется разорвать внутрикристаллические связи (например, при растворении мочевины капли воды на стакане могут замерзнуть). При этом движущей силой является энтропия, которая возрастает. При этом, т.к. энтропийный фактор зависит от температуры, то чем она выше, тем выше растворимость. При выпадении осадка (раствор остывает, вклад энтропийного фактора уменьшается) происходит разбалансировка энтропийной и энтальпийной составляющих, и уменьшение внутренней энергии становится движущей силой кристаллообразования.

 

Надеюсь, мне удалось показать несостоятельность использования второго начала термодинамики как аргумента против эволюции. В противном случае, всегда готов к полемике.

(с) нет. Просьба в случае перепечатки указывать мой ник и E-mail.