Az entrópia biológiája és szerepe a világ modern képének kialakításában, absztrakt
2 Termodinamikai entrópia
3 Az univerzum entrópiája
4 Entrópia és információ
Entrópia és az élet. Biológiai rendezés
Az alkalmazott források listája
1 Mi az entrópia?
A XIX. Században a tudományba belépő fizikai mennyiségek között. az entrópia különleges helyet foglal el rendkívüli sorsának köszönhetően. A termikus gépek elméletében kezdettől fogva az entrópia alakult ki. Azonban hamarosan az elmélet kerete kiderült, hogy szoros, és behatolt a fizika más területeire, elsősorban a sugárzás elméletében. Az entrópia bővülése nem állt meg ott. Ezzel szemben például más termodinamikai mennyiségekből az entrópia meglehetősen gyorsan átlépte a fizika határait. Ő betört a szomszédos területekre: a kozmológia, a biológia és végül az információelmélet [6].
Az entrópia fogalma többértékű, lehetetlen megadni az egyetlen pontos definíciót. A leggyakoribb a következő:
Az entrópia a bizonytalanság mértéke, a káosz mértéke.
Attól függően, hogy a területen a tudás, bocsátanak ki sokféle entrópia termodinamikai entrópia, információ (Shannon entrópia), a kulturális, a Gibbs entrópia entrópia Clausius és még sokan mások.
A Boltzmann entrópia a rendellenesség, a véletlenszerűség, a molekuláris rendszerek homogenitása.
Az entrópia fizikai jelentése tisztázódik az anyag mikroállapuláinak mérlegelésekor. L. Boltzmann volt az első, aki létrehozta az entrópia kapcsolatát az állam valószínűségével. M. Planck megfogalmazásában az a kifejezés, amely ezt a kapcsolatot fejezi ki, és amely a Boltzmann-elvnek nevezett, egyszerű képlet
Boltzmann soha nem írta ezt a képletet. Planck ezt tette. Bevezette a Boltzmann állandó kB bevezetését is. A "Boltzmann-elv" kifejezést A. Einstein vezettette be. A termodinamikai valószínűségi állapot W vagy statisztikai súlya ebben az állapotban - számos módon (a számát mikroszkopikus), hogy lehet használni, hogy végre ezt a macrostate [6]. A Clausius entrópia arányos a rendszerben lévő kötött energiamennyiséggel, amely nem válhat munkává. A Shannon entrópia számszerűsíti a továbbított jel megbízhatóságát, és kiszámítja az információ mennyiségét.
Nézzük részletesebben a termodinamikai entrópiát, a Shannon-entrópiát (információs), az entrópia és a biológiai rendezés közötti kapcsolatot.
2. Termodinamikai entrópia
Az entrópiát fizikai mennyiségként először R. Clausius termodinamikájába vezették 1865-ben. Meghatározta a termodinamikai rendszer entrópiájának megváltozását reverzibilis folyamattal, mint a teljes hőmennyiség változásának arányát # 916; Q az abszolút hőmérséklethez T:
.
A termodinamikai entrópia - az irreverzibilis energia disszipáció mértéke a termodinamikai rendszer állapotának függvénye [8].
Az entrópia létezése a termodinamika második törvényének köszönhető. Mivel bármely olyan valós rendszer, amely egy műveleti cikluson megy keresztül, és visszatér a kezdeti állapotába, csak a külső környezet entrópiájának növelésével jár, amellyel a rendszer érintkezik. Ez azt is jelenti, hogy a ciklus semmilyen szakaszában nem lehet negatív a rendszer entrópiájában és a külső környezetben bekövetkező változások összege. Így a termodinamika második törvénye elfogadja a következő formulációt:
A rendszer entrópiájában és a külső környezetben bekövetkező változások összege nem csökkenhet.
Ennek megfelelően az Univerzum egésze nem térhet vissza eredeti állapotához.
Rudolph Clausius ugyanazt a termodinamikai első és második elvet foglalta össze a következőképpen:
Az univerzum energiája állandó.
Az univerzum entrópiája maximálisra csökken.
Visszafordíthatatlan folyamatok miatt az elszigetelt rendszer entrópiája tovább növekszik, amíg eléri a lehető legnagyobb értéket. Az állam ebben az állapotban elért állapot egyensúlyi állapot. [7, 130. o.] A második törvény e megfogalmazásából következik, hogy az evolúciós folyamat végén az Univerzum termodinamikai egyensúlyi állapotba (termál-halálállapotba) kerül, amelyhez a rendszer teljes disorganizációja megfelel. A világegyetem termikus halálának eszméje, amely a Clausius által javasolt második alapelv megfogalmazásából következik, egy példa arra, hogy a termodinamika törvényeinek helytelen átadása egy olyan területre, ahol már nem működik. A termodinamika törvényei - mint ismeretes - csak termodinamikai rendszerekhez alkalmazhatók, a Világegyetem nem ilyen [6].
Mint már említettük, a termodinamika nem lehet alkalmazni a világegyetem egészére, hiszen ez nem egy termodinamikai rendszer, de az univerzumban lehet azonosítani alrendszert, amely vonatkozik termodinamikai leírása. Ilyen alrendszerek például minden kompakt objektum (csillag, bolygó stb.) Vagy relik sugárzás (hősugárzás 2,73 K hőmérsékleten). Kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás származott a Big Bang, ami megalakult a világegyetem, és volt a hőmérséklet mintegy 4000 K. A mi korunkban, ami után 10-20000000000 évvel az ősrobbanás után, az elsődleges (emlék) sugárzás, éltek ezekben az években a táguló világegyetem , lehűtjük a jelzett hőmérsékletre. A számítások azt mutatják, hogy az összes megfigyelhető kompakt objektum teljes entrópiája elhanyagolhatóan kicsi a relikus sugárzás entrópiájához képest. Ennek oka elsősorban az, hogy a relikum fotonok száma nagyon nagy: az univerzum minden egyes atomjára körülbelül 10 9 foton van [6]. Az univerzum komponenseinek entrópiai megfontolása lehetővé teszi számunkra, hogy még egy következtetést vonjunk le. A jelenlegi becslések szerint, a teljes entrópia az univerzum, amely megfigyelhető, több mint 10 és 30-szor kisebb, mint az entrópia az anyag azonos a világegyetem része kondenzálódik egy fekete lyuk. Ez azt mutatja, hogy a világegyetem környezete mennyire a leginkább rendezetlen állapotból származik.
4 Entrópia és információ
Már említettük Rudolf Clausius is birtokol egy másik megfogalmazása termodinamika második törvénye: „Nem lehet végrehajtani az egyetlen eredménye az lenne a hőátadás a hidegebb melegebb test.”
A gondolatkísérlet által javasolt James Clerk Maxwell 1867-ben, tegyük fel, egy olyan hajó, gáz át nem eresztő membrán két részre oszlik: a bal és a jobb oldalon. A septum lyuk eszköz (ún Maxwell démon), amely lehetővé teszi a gyors menet (meleg) gázmolekulák csak a bal oldalról a jobb a hajó, és a lassú (hideg) molekulák - csak a jobb oldali részén a hajó balra. Ezután hosszú idő múlva a forró molekulák a megfelelő edényben lesznek és a hidegek a bal oldalon [4].
I (x, y) = log (p (x / y) / p (x)),
ahol p (x) az x esemény valószínűsége az y esemény előtt (feltétel nélküli valószínűség); p (x / y) az x esemény valószínűsége, ha az y esemény bekövetkezik (feltételes valószínűség).
Az x és y eseményeket általában inger és reakció, bemenet és kimenet értjük, két különböző változó jelentése, amelyek a rendszer állapotát jellemzik, egy eseményt, egy üzenetet róla. Az I (x) értéket az x-es esemény tulajdonosi információinak nevezik.
Vegyünk egy példát: azt mondták (y), hogy a királyné a sakktáblán áll az x = a4 pozícióban. Ha az üzenet előtt a királyné valószínűsége minden pozícióban megegyezik és p (x) = 1/64, akkor a kapott információ megegyezik
I (x) = log (1 / (1/64)) = log (64) = 6 bit. [3, P.12]
I információs egységként egy megbízható eseményüzenetben lévő információ mennyiségét veszik figyelembe, amelynek a priori valószínűsége 1/2. Ezt az egységet "bitnek" nevezik (angol bináris számjegyekből). [1]
Tegyük fel, hogy a kapott üzenet nem volt teljesen pontos, például azt mondták, hogy a királynő az a3 pozícióban vagy az a4 pozícióban áll. Ekkor az x = a4 pozícióban való tartózkodásának feltételes valószínűsége már nem egyenlő egy, de p (x / y) = ½. A kapott információ megegyezik
I (x, y) = log ((1/2) / (1/64)) = 5 bit,
vagyis az előző esethez képest 1 bitrel csökken. Így a kölcsönös információ nagyobb, annál nagyobb az üzenet pontossága, és a határérték megközelíti saját információit. Az entrópiát a bizonytalanság mértéke vagy a rendszer lehetséges állapotainak mértéke határozza meg. Ha a rendszer az egyik egyenlõségû állapotban lehet, akkor a H entrópia egyenlõ
Például a királyné különböző lehetséges pozícióinak száma egy üres sakktáblán m = 64. Következésképpen a lehetséges állapotok entrópiája
H = log64 = 8 bit.
Ha a sakktábla darabja figurákkal van elfoglalva, és a királynéhoz nem érhető el, akkor a lehetséges állapotok és az entrópia változatossága csökken.
Azt lehet mondani, hogy az entrópia olyan intézkedés szabadságot a rendszer: a több szabadságot a rendszer, annál inkább korlátozta, annál nagyobb, mint általában, és az entrópia a rendszer [3 S.13-15]. Így nulla megfelel a teljes információt entrópia (fokú tudatlanság nulla) és a maximális entrópia - egyáltalán nem ismerik mikroállamok (legnagyobb fokú tudatlanság) [6].
Az a jelenség, csökkenés entrópia miatt információkat tükrözi megfogalmazott alapelvek 1953-ban az amerikai fizikus Leon Brillouin, aki tanulmányozta a egymásba energiát. Az elv megfogalmazása a következő: "Az információ az entrópia negatív hatása". Az elvet az információ negentrop elvének nevezik [5]. A koncepció a negatív entrópia (ugyanaz, mint a negatív entrópia vagy sinropiya) is vonatkozik az élő rendszerek, az azt jelenti, hogy egy élő enropiyu rendszer exportáló hogy csökkentsék a saját entrópia.
6. Entrópia és élet. Biológiai rendezés
Az élet viszonyának a termodinamika második törvényéhez való viszonyának kérdése az a kérdés, hogy az élet ellenáll a második elvnek. Valójában az élet Földön való fejlődése egyszerűtől komplexig terjed, és a termodinamika második törvénye megjósolja az evolúció fordított útját - a komplextől az egyszerűig. Ez az ellentmondás a visszafordíthatatlan folyamatok termodinamikájának keretei között magyarázható. Az élő szervezet, mint nyitott termodinamikai rendszer, kevesebb entrópiát fogyaszt, mint a környezetbe dobja. Az entrópia mennyisége az élelmiszerekben kevesebb, mint a kiválasztási termékeknél. Más szóval létezik egy élő szervezet, mivel képes visszavonhatatlan folyamatokból a környezetbe termesztett entrópiát kidobni [6].
Így egy élénk példa az emberi test biológiai szervezetének rendszere. Az entrópia csökkenése az ilyen biológiai szervezet előfordulásában könnyen kompenzálható triviális fizikai és kémiai folyamatokkal, különösen például 170 g víz [1] párolgása révén.
Az alkalmazott források listája