Гельфер Я.М. История и методология термодинамики и статистической физики (1185114), страница 69
Текст из файла (страница 69)
1511. Пуская кровь заболевшим матросам и местным жителям, Майер обратил внимание на разницу в цвете крови людей, живущих в условиях умеренного и жаркого климата. Цвет крови у матросов, приехавших в Индонезию из Европы, был обычный, в то время как у людей, долго проживших в условиях тропического климата, она отличалась необыкновенной краснотой. Размышляя об этом факте, Майер приходит к выводу: <Температурная разница между собственнььм теплом организма и теплом окружающей среды должна находиться в количественно»| соотношении с разницей в цвете обоих видов крови, т.
е. артериальной и венозной. Эта разница в цвете является выражением потребления кислорода или силы процесса сгорания, происходящего в организме». На основе этих наблюдений и их философского осмысления, а также применяя принцип «ничто не происходит из ничего и ничто не превращается в ничто и что причина равна действию», Майер приходит к формулировке «закона сохранения силы». Майер утверждает, что единственной силой, обеспечивающей существование живых существ и растений, является сила, получаемая в виде света от Солнца.
Таким образом, Майер был первым ученым, понявшим, что между биологическим объектом и окружающей его средой существует непрерывный обмен энергией. 254 Ни Клаузиус, ни В. Томсон не рассматривали непосредственно биологические проблемы с точки зрения термодинамики. Правда, из гипотезы «тепловой смерти Вселенной» можно было сделать вывод, что второе начало термодинамики должно было бы рано или поздно положить конец жизнедеятельности организмов вследствие термодинамического равновесия с окружающей средой. На возникавшие в этой связи сложные чисто физические и методологические проблемы никто не обратил внимания.
Лишь у Больцмана в одной из его речей, произнесенных в Венской Академии наук в 1886 г., была высказана мысль о взаимосвязи энтропии с явлением жизни: «Всеобщая борьба за существование, охватывающпя весь органический мир, не есть борьба за вещество: химические элементы органического вещества находятся в избытке в воздухе, воде и земле; это также не борьба за энергию,— она, к сожаленшо, в непревратимой форме, в форме теплоты, щедро рассеяна во всех телах; это борьба за энтропию, становящуюся доступной пры переходе от пылающего солнца к холодной земле» '"'.
Термодинамический аспект проблемы жизни привлекал и многих русских ученых — К. А. Тимирязева, Н. А. Умова, В. И. Вернадского и др., которые достаточно широко рассматривали эту проблему. Наиболее общая постановка проблемы жизни с точки зрения термодинамики впервые была сделана в 1944 г. немецким физиком Э. Шредингером в его книге «Что такое жизнь с точки зрения физики» "а. То новое, что было им внесено в биологическую термодинамику, заключалось в понимании факта, что явление жизни как одно из явлений природы в своей основе противоречит второму началу термодинамики, поскольку живому организму свойственно стремление к упорядочению, а не к беспорядку, как то следует из статистической интерпретации второго начала. Жизнь животных и растений не укладывается в рамки представления о том, что свободная энергия неизбежно уменьшается н растет энтропия Вселенной.
В действительности функционирование жизни говорит о том, что должна была бы наблюдаться обратная тенденция — энтропия Вселенной должна была бы постоянно уменьшаться в связи с обменом энергией живых существ с окружающей средой. Таким образом, термодинамический аспект жизни оказывался не таким простым, как это, возможно, представлялось вначале, и работа Шредингера это достаточно ясно показала. Сам Шредингер нашел выход из трудностей путем введения понятия отрицательной энтропии, свойственной только живому организму. Вот что он писал по этому поводу; «Все, что происходит в природе, означает увеличение энтропии в той части мира, где это происходит.
Так и живой организм непрерывно увеличивает свою антропшо — или, говоря иначе, производит положительную энтропию и таким образом приближается к опасному состоянию максимальной энтропии, которое представляе~ собой смерть. Он может избегнуть этого состояния, т. е. остаться живым только путем постоянного извлечения иэ окружающей его сре- '"' Б о льни а н Л. Статьи и речи. М., 1970, с.
252. "э Сил Шредингер Э. Что такое жизнь с точки зрения физики. М., 1947. ды отрицательной энтропии, которая представляет собой нечто весьма положительное, как мы сейчас увидим. Отрицательная энтропия — вот то, чем организм питается. Или, чтобы выразить зто менее парадоксально, сущес~венно в метаболизме то, что организму удается освобождать себя от всей той энтропии, которую он вынужден производить, пока он жив». Представляет также интерес вопрос об эволюции живых систем — биологических объектов. Еще в 1935 г.
биолог Э. Бауэр пришел к заключению о неприменимости принципа Ле Шателье— Брауна к определению направления эволюции живых существ. Причина заключалась в том, что этот принцип справедлив для систем, находящихся в термодинамически равновесном состоянии. Он указывает на условие, при котором система, выведенная из равновесного состояния, при данных условиях вновь вернется в новое равновесное состояние. Биологические же объекты не являются равновесными системами. Поэтому Бауэр сформулировал для этого случая «принцип устойчивой неравновесности» или принцип устойчивого поддержания биологической системы в условиях, удаленных от термодинамического равновесия. «Наш принцип,— писал Бауэр,— относится к системам, не находящимся в равновесии, и изменение состояния, иначе — реакция систем, которую наш принцип требует при изменении окружающей среды, состоит в работе против ожидаемого при данной окружающей среде равновесил, следовательно, именно против того равновесия, которое следовало бы ожидать по принципу гуе Шателье, если бы сиате»1а находилась в равновесии» ыг.
С развитием термодинамики необратимых процессов пришло и более глубокое понимание термодинамических свойств открытых систем. В частности, стало ясно, что открытая система в состоянии термодинамического равновесия вообще не может существовать, откуда следовало представление о биологическом объекте как о термодинамически неравновесной системе. Естественно возник вопрос о возможности анализа явлений жизни методами неравновесной термодинамики, которым занимались и занимаются многие исследователи. По некоторым проблемам здесь возникали дискуссии, которые помогали глубже разобраться в существе возникших неясностей. Это, в частности, относится к т е о р ем е П р игож ин а, доказанной им в 1947 г. из соотношений взаимности Онзагера. В какой-то мере эту теорему можно рассматривать как аналог принципа Ле Шателье — Брауна в равновесной термодинамике. Согласно теореме Пригожина, при данных внешних условиях, препятствующих достижению равновесного состояния, стационарное состояние системы соответствует минимальному воспроизводству энтропии.
Если таких препятствий нет, то воспроизводство энтропии равно нулю. Из теоремы Пригожина следует, что изменение состояния открытой системы всегда происходит таким образом, что скорость воспроизводства энтропии в ней уменьшается при приближении к равновесному состоянию. Проблема состояла в том, применимо ли это положение к живому организму, которому свойственно размножение и развитие, или нет. Одни авторы "' Б э у э р Э. Теоретическая биология. М., !958, с. 81. давали положительный ответ, поскольку живой организм можно трактовать как открытую систему, другие — отрицательный, так как вследствие эволюции биологические объекты не могут приближаться к состоянию с минимальной скоростью воспроизводства энтропии '44, Термодинамические аспекты жизнедеятельности организмов в настоящее время разрабатываются специалистами, работающими в области теоретической биологии и термодинамики.
Эволюция взглядов на предмет термодинамики Появление различных направлений в термодинамике и многообразие ее применения убедительно опровергали прогноз о том, что ее развитие как науки окончилось. Общие диалектические закономерности, естественно, и здесь подтвердились. Поэтому представляет интерес проследить в историческом плане эволюцию взглядов на предмет термодинамики. Ее важнейшее значение как одной из фундаментальных наук в системе человеческих знаний о природе неоднократно подчеркивалось многими исследователями. Так, Лоренц писал, что «второе начало царствует более чем над половиной физики» мз, и в этих словах одного из великих теоретиков не было преувеличения.
Позже Лауэ, говоря о термодинамике в целом, подчеркивал, что она «охватила теорию упругости и учение об электричестве и магнетизме, где в большинстве случаев соответствующие явления связаны с тепловыми эффектами. Короче говоря, не существует, собственно, ни одной области физики, к которой термодинамика не имела отношения. Если от нее отвлекаются, то это уже означает идеализацию» '"'. В разных местах настоящей работы мы неоднократно отмечали, что большая роль термодинамики не исчерпывается только ее научным и прикладным значением.
Не менее важны методологические н философские аспекты этой науки, особенно те, которые возникли в начальный период ее развития и связаны с открытием и обоснованием первого и второго начал. Они не только способствовали правильному пониманию природы тепловых явлений, но и оказали большое влияние на формирование фундаментальных представлений современной физики. Эта сторона истории развития термодинамики особенно будет видна в следуюшей части нашей работы. Большое научное и методологическое значение термодинамики подчеркивались многими учеными. Так, говоря об основных законах термодинамики, Нернст писал: «Лакала термодинамики занимают совершенно особое место среди всех законов природе«Причин этому две: во-первых, ограничения, которым подвержено применение этих начал, если и не исчезающе мальц все же совершенно незначительны по сравнению с ограничениями остальных законов природы: '" Подробности см. в кн.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
