Принципы системного моделирования - страница 8

Весьма общим результатом теоретической термодинамики является выработка представления о том, что состояние термодинамической системы зависит как от внешних, так и внутренних условий. Это обстоятельство учитывается в понятиях о свободной и скрытой теплоте, а также о внешней работе и внутренней энергии термодинамической системы. С представлением о внутренней энергии в термодинамике тесно связано понятие о самопроизвольном процессе, который осуществляется как переход теплоты от более нагретого тела к менее нагретому. Для противоположного перехода нужна энергетическая компенсация /10/.

Надо заметить, что специфика системного моделирования в термодинамике существенно связана с доказательством возможности замещения (эквивалентности) основных процессов, протекающих в системе (превращение тепла в работу и переход тепла от более нагретого тела к менее нагретому, которые представляются как эквивалентные). Так, в работах Р. Клаузиуса было показано, что для обратимых процессов эквивалентность устанавливается из соотношения

а для необратимых процессов

Р. Клаузиус обосновал также необходимость и всеобщность идеи циклов в описании термодинамических превращений. С помощью этой идеи улавливается одно из базовых проявлений сложных систем - циклический характер протекающих в них процессов. Там, где предполагается разрыв замкнутой цепи, всегда обнаруживается компенсирующее направление процесса. Термодинамика даёт полное отражение указанной компенсации для неживых систем. Этой цели служат первое и второе начала термодинамики, задающие матрицу энергоэнтропийного описания внутрисистемных преобразований. Надо отметить, что подобный способ моделирующего описания был разработан в недрах классической термодинамики, которая имеет предметом равновесные системы. Это - термостатика. Она занята отысканием функциональных определителей для замкнутых систем, таких как внутренняя энергия, энтальпия, энтропия. Напротив, современная неклассическая термодинамика имеет дело с неравновесными системами. Для последних характерна определённая необратимость, эффект которой невозможно свести к нулю. Методы неклассической термодинамики основаны на использовании неизвестных для классического подхода понятий, таких как "поток энтропии", "скорость возрастания энтропии" и др. Опора на такие понятия дала возможность вывести термодинамические уравнения движения, выявить принципы симметрии, которые обусловливают протекание термодинамических процессов в системе. Тем самым вводился в научную методологию язык обобщенного типологического описания систем.

К термодинамике примыкает молекулярно-кинетическая теория. В ней моделируется поведение газа, замкнутого в некотором объёме. При этом учитывается корпускулярно-молекулярная структура газа, а молекулы рассматриваются как свободно движущиеся в пространстве. Одновременно вводится представление о том, что полная "живая сила" всех молекул (по терминологии Джоуля) обуславливает теплоту газового тела.

В рамках этой теории впервые в науке было использовано уровне-вое понимание системы и была предпринята попытка объяснить макрохарактеристики термодинамической системы с помощью микрохарактеристик. Здесь исходя из механической трактовки движения молекул показывается, что существует функциональная зависимость между давлением газа, его плотностью и суммарной кинетической энергией занимающих его объём молекул. Следствием такой зависимости является, в частности, хорошо известный закон Бойля-Мариотта. Рассматриваемая теория учитывает ряд сложных условий, влияющих на термопараметры системы:

-      способность молекул совершать внутреннее движение;

-      существование средней длины свободного пути молекулы;

-      неравномерность распределения скоростей молекул.

Известно, что на первых этапах своего формирования молекулярно-кинетическая теория базировалась на общих методологических принципах механики. Процессы, протекающие в молекулярных системах, описывались сугубо с механических позиций. Более того, классики термодинамики пытались трактовать само учение о теплоте в качестве одного из разделов механической теории. Ярким проявлением этой тенденции были работы по обоснованию второго начала термодинамики, основанные на предположении о наличии некоторого механизма молекулярного движения и механике сил, действующих между молекулами. По такому пути двигался, например, Л. Больцман. Однако не кто-нибудь, а именно Л. Больцман, осознал невозможность полной аналогии в механическом и молекулярно-кинетическом описаниях системы. В последнем случае неизбежно привлечение понятий, выходящих за рамки механики. В число таких понятий входило, например, определение средней кинетической энергии в течение значительного промежутка времени. Полное осознание данного обстоятельства послужило основанием для характеристики законов кинетической теории как статистических /11/.