Абсолютные значения энтропии многих веществ являются табличными и приведены в справочниках. Например:
Н20(ж) = 70,8; Н20(г) = 188,7; СО(г) = 197,54;
СН4(r) = 186,19; Н2(г) = 130,58; НС1(г) = 186,69; НСl(р) = 56,5;
СН30Н(ж) = 126,8; Са(к) = 41,4; Са(ОН)2(к) = 83,4; С(алмаз) = 2,38;
С(графит) = 5,74 и т. д.
Примечание: ж – жидкость, г – газ, к – кристаллы; р – раствор.
Изменение энтропии системы в результате химической реакции (ΔS) равно сумме энтропий продуктов реакции за вычетом энтропий исходных веществ. Например:
СН4 +Н20(г) = С0 + 3Н2– здесь ΔS0298 = S0co.298 + 3S0H2.298 – S0H4.298 – S0H2.298 =
197,54 = 3 · 130,58 – 188,19 – 188,7 = 214,39 Дж/моль · К.
В результате реакции энтропия возросла (AS > 0), возросло число молей газообразных веществ.
Информационная энтропия. Энтропия в биологии
Информационная энтропия служит мерой неопределенности сообщений. Сообщения описываются множеством величин x1, x2 xn, которые могут быть, например, словами: p1, p2…, pn. Информационную энтропию обозначают Sn или Hu. Для определенного дискретного статистического распределения вероятностей Pi используют следующее выражение:
при условии:
Значение Sn = 0, если какая-либо вероятность Pi = 1, а остальные вероятности появления других величин равны нулю. В этом случае информация достоверна, то есть неопределенность в информации отсутствует. Информационная энтропия принимает наибольшее значение, когда Pi равны между собой и неопределенность в информации максимальна.
Общая энтропия нескольких сообщений равна сумме энтропий отдельных сообщений (свойство аддитивности).
Американский математик Клод Шеннон, один из создателей математической теории информации, использовал понятие энтропии для определения критической скорости передачи информации и при создании «помехоустойчивых кодов». Такой подход (использование из статистической термодинамики вероятностной функции энтропии) оказался плодотворными в других направлениях естествознания.
Понятие энтропии, как показал впервые Э. Шредингер (1944 г.), а затем Л. Бриллюэн и др., существенно и для понимания многих явлений жизни и даже деятельности человека.
Теперь ясно, что с помощью вероятностной функции энтропии можно анализировать все стадии перехода системы от состояния полного хаоса, которому соответствуют равные значения вероятностей и максимальное значение энтропии, к состоянию предельно возможной упорядоченности, которому соответствует единственно возможное состояние элементов системы.
Живой организм с точки зрения протекающих в нем физико-химических процессов можно рассматривать как сложную открытую систему, находящуюся в неравновесном, нестационарном состоянии. Для живых организмов характерна сбалансированность процессов обмена, ведущих к уменьшению энтропии. Конечно, с помощью энтропии нельзя охарактеризовать жизнедеятельность в целом, так как жизнь не сводится к простой совокупности физико-химических процессов. Ей свойственны другие сложные процессы саморегуляции.
Вопросы для самопроверки
1. Сформулируйте законы движения Ньютона.
2. Перечислите основные законы сохранения.
3. Назовите общие условия справедливости законов сохранения.
4. Объясните существо принципа симметрии и связь этого принципа с законами сохранения.
5. Сформулируйте принцип дополнительности и принцип неопределенности Гейзенберга.
6. В чем состоит «крушение» лапласовского детерминизма?
7. Как формулируются постулаты Эйнштейна в СТО?
8. Назовите и объясните релятивистские эффекты.
9. В чем состоит суть ОТО?
10. Почему невозможен вечный двигатель первого рода?
11. Объясните понятие кругового процесса в термодинамике и идеальный цикл Карно.
12. Объясните понятие энтропии как функцию состояния системы.
13. Сформулируйте второе начало термодинамики.
14. Объясните суть понятия «неравновесная термодинамика».
15. Как качественно определяется изменение энтропии при химических реакциях?
Глава 4
ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫЕ ЗНАНИЯ О ВЕЩЕСТВЕ
4.1. Химия как наука. Краткая историческая справка. Проблемы и перспективы современной химии
Согласно общепринятому определению,
► химия – это наука о веществах и их превращениях, или, как вариант, наука о химических элементах и их соединениях.
В этих определениях подразумевается структурный уровень изучения вещества и, так сказать, «разделение полномочий» между физикой и химией. Физика изучает строение атома и мир элементарных частиц (атомный и нуклонный уровень микромира), с одной стороны, и проявление физических свойств веществ, пребывающих в разных агрегатных состояниях, – с другой (классические механика и электродинамика, теплофизика как изучение явлений макромира). Химия же рассматривает процессы «сборки» молекул из атомов, традиционно называемые «химическими реакциями», а также проявление химических свойств веществ, то есть способность веществ вступать в химические реакции определенного вида. Таким образом, структурный уровень вещества, изучаемый в химии, оказывается помещенным между двумя «физическими» уровнями структуры вещества, а «химические» явления происходят на границе микромира и макромира.
Химия – полноправный представитель семейства точных естественных наук, то есть химическое научное знание сформировано из теорий, законов и закономерностей, формулировки которых исключают множественное толкование и которые многократно подтверждены и проверены на практике. И, как для любой естественной науки, для химии имеют большое значение проверяемость, достоверность и воспроизводимость результатов, доказательность знания, соответствие научных теорий и наблюдаемых фактов.
Химия – рациональная наука, даже гипотезы в химии имеют чисто рациональный характер. Современная химия счастливо избежала того «налета» иррациональности, который присутствует в физике, биологии, астрономии, особенно когда обсуждаются вопросы происхождения Вселенной, вещества и жизни. Традиционно также слаба связь химии и философии (в течение последних 250–300 лет после исключения алхимических представлений из химии). И в дискуссиях между ортодоксальными «материалистами» и «идеалистами» химики всегда остаются в стороне, а оппоненты прибегают к разным аспектам химического знания для доказательства своих, порой противоположных по сущности, доводов.
И хотя современная химия имеет очень мало общего с алхимией средних веков, а алхимические тексты интересны для нас, ученых XXI столетия, с литературно-исторической, но никак не научной точки зрения, забавно, что свое название «химия» получила именно от алхимии. Название же «алхимия» исходит, предположительно, от слова «Кеми»; страна Кеми (или Кемь) – одно из старинных названий современного Египта, откуда, согласно средневековым легендам, были родом первые алхимики.
Химия развивалась и развивается традиционно в двух направлениях – как фундаментальная наука (создание и изучение теоретических основ химического знания) и как наука прикладная (решение практических задач применения различных химических соединений). И если в XVIII–XIX вв. второе направление развивалось более интенсивно, обслуживая промышленную революцию, а теоретическое направление вынуждено было «догонять» в попытке объяснить и систематизировать быстро растущий объем химических знаний, то все изменилось на рубеже XIX–XX вв. и особенно в начале XX в. Великие открытия в физике микромира, приведшие к смене парадигмы естествознания, предопределили развитие теоретической неорганической и органической химии в свете квантовых представлений. Таким образом был усовершенствован механизм объяснения химического строения и структуры вещества, и в дальнейшем оба направления химической науки развивались уже в тесном взаимодействии, решая основную проблему современной химии – получение (синтез) вещества с заданными свойствами. Важным этапом решения этой задачи является решение проблемы управления свойствами вещества. Химия как наука не только о химическом составе и структуре вещества, но и о химических процессах, развивается в рамках парадигмы современного естествознания – квантово-релятивистской механики. В частности, существует фундаментальная химическая наука – квантово-органическая химия, которая изучает механизмы органических реакций с позиции квантовых представлений.