Научный журнал

Научное обозрение. Фундаментальные и прикладные исследования

Введение

Анализ кинетики разнообразных физико-химических процессов показывает, что в одних случаях идет прямое сложение скоростей, кинетических или энергетических характеристик, а в других – складываются их обратные величины.

В частности, такое предположение подтверждается формулой вероятности процесса переноса электрона за счет перекрывания волновых функций 1 и 2 (в стационарном состоянии) при электронно-конформационных взаимодействиях [1]:

(1)

Уравнение (1) используется при оценке характеристик процессов диффузии, сопровождающейся безизлучательными переносами электронов в белках [1].

А так же: «Из классической механики известно, что относительное движение двух частиц с энергией взаимодействия U(r) происходит как движение материальной точки с приведенной массой :

(2)

в поле центральной силы U(r), а общее поступательное движение – как свободное движение материальной точки с массой:

(3)

Такое положение вещей имеет место и в квантовой механике» [2].

Вместе с тем, остается нерешенной до конца проблема квантово-волнового дуализма, хотя применение уравнения де-Бройля позволяет определить границы проявления таких явлений. Но какое свойство при этом доминирует зависит от условий процесса. И определить заранее какая часть из них будет работать в каждом конкретном случае достаточно сложно, хотя известно, что волновая картина чаще имеет место при низких энергиях, а корпускулярная – при высоких.

Значительный интерес имеет и проблема многопланового проявления понятия энтропии. В теплофизических процессах энтропия (S) есть функция состояния системы, дифференциал которой в элементарном обратимом процессе равен отношению бесконечно малого количества теплоты, сообщенного системе, к ее абсолютной температуре:

. (4)

В статистической термодинамике энтропия изолированной и находящейся в равновесии системы равна логарифму вероятности нахождения ее в определенном макросостоянии:

(5)

где W – число доступных состояний системы или степень вырождения микросостояний, k – постоянная Больцмана.

Поэтому применение и рассмотрение этих законов имеет многоплановые проявления, которые наиболее плодотворно используются статистической термодинамикой. Понятие энтропии, вытекающее из второго закона термодинамики, является критерием направленности процесса и степенью неупорядоченности систем.

Таким образом, эти проблемные вопросы физико-химии нуждаются в дальнейшем исследовании и обсуждении.

В данном исследовании делается попытка пояснения вышеуказанных проблем с позиции представлений о градиенте направленности физико-химических процессов при изменении их энтропийных составляющих.

1. Исходные данные

Был проведен [3] анализ характера изменения величины потенциальной энергии по ее знаку для различных потенциальных полей (таблица не приводится).

Получено, что значения –и соответственно (положительная работа) соответствуют взаимодействиям, происходящим по градиенту потенциала, а +и (отрицательная работа) имеют место при взаимодействиях против градиента потенциала.

На основе анализа первого начала термодинамики было получено [3]:

1. В системах, в которых взаимодействие идет по градиенту потенциала (положительная работа) результирующая потенциальная энергия, как и приведенная масса, находятся по принципу сложения обратных значений соответствующих величин подсистем. Это – корпускулярный процесс, теоретической концепцией которого может являться энтропия.

2. В системах, в которых взаимодействие идет против градиента потенциала (отрицательная работа) выполняется алгебраическое сложение их масс и также соответствующих энергий подсистем. Это – волновой процесс, теоретической концепцией которого может являться негэнтропия.

3. Резонансное стационарное состояние систем выполняется при условии равенства степеней их корпускулярных и волновых взаимодействий. В термодинамике открытых систем продукция энтропии в стационарном состоянии полностью компенсируется потоком негэнтропии.

4. Все явления и процессы в природе и в Мире, включая человека, технику, экономику и экологию, идут только в двух энергетических направлениях. Или - по градиенту силового поля, с минимальной затратой энергии, или - против градиента, с максимальной затратой энергии. Первое направление соответствует понятию энтропия, а второе - понятию негэнтропия (отрицательная энтропия). В динамике процессов оба явления взаимосвязаны, и дополняют друг друга.

2. Энтропийные номограммы.

Для оценки структурных взаимодействий в простых и сложных системах классическая физика и квантовая механика широко используют кулоновские взаимодействия и их разновидности.

Так в [1] к электронно-конформационным взаимодействиям в биосистемах относят взаимодействия Ван-дер-Ваальса, ориентационные и заряд-дипольные взаимодействия. И как частный случай - обменно-резонансный перенос энергии. Но биологические и многие кластерные системы в структурной основе электронейтральные. И для них основное значение имеют равновесно-обменные энергетические взаимодействия не кулоновского типа, то есть это не зарядные электростатические процессы.

Идут структурные взаимодействия суммарных электронных плотностей валентных орбиталей соответствующих конформационных центров - процессы равновесного перетекания электронных плотностей за счет перекрывания их волновых функций. Чем ближе значения их энергетических характеристик, тем легче идет выравнивание электронных плотностей.

Еще Гейзенберг и Дирак [4] предложили обменный гамильтониан, выведенный в предположении о прямом перекрывании волновых функций взаимодействующих центров:

,

где: – спиновый оператор изотропного обменного взаимодействия для пары атомов, – постоянная обмена, и – интегралы перекрывания волновых функций.

Каждая свободная атомная структура изначально имеет энтропийное равновесное состояние двух противоположных начал (орбиталь-ядро) в системе единой действительности (атом). В бинарной системе соответственно идут взаимодействия противоположных энтропийных составляющих от обоих атомов, пока не стабилизируется динамика энтропийного равновесия. Такие равновесно-обменные конформационные взаимодействия регулируют стабилизацию многих органических систем (кластеры, полипептидные цепи и т.д.). Поэтому, в данном подходе интегралы перекрывания волновых функций моделируются через величину относительной разности энергетических параметров взаимодействующих центров – коэффициент (в %) [5-6]. Такой параметр является прямой характеристикой степени энтропийного равновесия в системе. Исходные значения энергетических и размерных параметров для большинства элементов при разных валентно-активных орбиталях приведены в [3], и в других публикациях автора.

Применяя надёжные экспериментальные данные, получена номограмма зависимости степени структурных взаимодействий () от коэффициента α, единая для широкого класса структур (рис. 1). В ней значения α от 0 до 5 соответствуют условиям энтропийного равновесия, при котором ρ=100%. Этот вид номограммы и ее зеркально-симметричный вариант (рис. 2) позволяют оценить степень и направление структурных взаимодействий процессов фазообразования, изоморфизма и растворимости в многочисленных системах, в том числе в молекулярных [5-6].

Чем меньше величина α, тем выше степень волновой составляющей взаимодействия в соответствии с рисунком 2 (негэнтропийная кривая). А в рисунке 1 увеличение значений α характеризует нарастание корпускулярных и электростатических свойств в микросистемах (энтропийная кривая). Таким образом, понятие энтропии количественно моделируется через коэффициент α, а негэтропия через величину 1/ α.

Рис. 1. Номограмма зависимости степени структурных взаимодействий (ρ) от коэффициента α

Рис. 2. Номограмма зависимости степени структурных взаимодействий (ρ) от коэффициента 1/α

Многие явления и процессы в природе, технике и даже в экономике описываются аналогичными графиками, которые называются S-кривыми. Такие S-кривые и исходные номограммы являются графическими характеристиками неравновесной динамики изменения энтропийных составляющих.

3. Условия равенства и соотношений энтропийных параметров

Выполнение пункта 3 исходных положений классифицируется в зависимости от особенности динамики процесса. Так в электромагнитной волне разность хода составляющих векторов равна 90°. В общем случае при вращательном движении системы из двух одинаковых по величине векторов () с разностью фаз 90° их равнодействующая:

, где для данного угла tg45°=1 (6)

Если такой процесс дополняется движением по спиральной динамике, то вектор () станет касательным вектором и образует угол спирального вращения, для которого:

tgφ = С/R = , где φ геодезический угол, равен 54,733° (7)

Под этим углом тутовый шелкопряд наматывает шелковую нить на основу.

Таким образом при чисто вращательном движении выполняется условие равенства составляющих векторов энтропийных характеристик, а при спиральном движении их соотношение равно . При поступательном движении действуют условия или равенства или постоянного соотношения величин их составляющих. При этом в статистических процессах проявляются экспоненциальные зависимости. Такой подход определяет общие принципы многих физических закономерностей.

1) Характеристика спин-орбитального взаимодействия – постоянная тонкой структуры , где r – классический радиус электрона, λ – его комптоновская длина волны.

2) В работах [7; 8] используются понятия разрушающего напряжения при растяжении пластика нити на шаг ее намотки, где: σα – осевое, σβ – окружное напряжения заменяются пропорциональной им величиной Nα – осевое «усилие» и Nβ – окружное «усилие» по уравнению:

(8)

«Это условие позволяет получать равнонапряженную систему нитей с минимальной массой изделия» [8].

В гармонических колебаниях тела отношение потенциальной энергии обусловленной квазиупругой силой к кинетической энергии равно tg2δ, то есть:

= tg2δ (8а),

где δ – угловая характеристика колебаний.

При условии равенства δ=φ система получает энтропийное равновесное состояние.

3) В квантовой механике отношение магнитного момента частицы к ее механическому моменту называется магнитомеханическим (гиромагнитным) отношением – g. При этом gs = 2, если магнитный момент электрона обусловлен только спиновой составляющей и g = 1, если он создаётся орбитальным движением электронов. Такие значения g их соотношения характеризуют соответствующие энтропийные зависимости.

4) Уравнение Планка (квантовый переход):

h= E/, где Е орбитальная энергия, в стационарном состоянии – величина постоянная, процесс идет по градиенту поля (энтропия), , h- постоянная Планка.

5) Уравнение скорости движения

V= S/t, где S – путь при механическом движении с затратой энергии (негэнтропия), t – время, всегда возрастает и направлено по градиенту (энтропия). Кривая Лоренца (рисунок не приводится) так же свидетельствует о проявлении пространственно-временной зависимости. Условием стационарного состояния в этих случаях является постоянство скорости движения, что выполняется как в микромире атомов и молекул, так и в макромире при движении планет.

6) При вращательном движении заряженой частицы в гравитационном поле [9]:

)= (9)

Где, - электрическая постоянная,

G — гравитационная постоянная,

– квантовая поправка к гиромагнитному отношению электрона в атоме, которая возможно в данном случае характеризует влияние прецессии движения частиц.

7) Из термодинамического определения энтропии следует:

T=dw/ds, где dw – тепловая энергия, поэтому средняя температура (T) является постоянно величиной, как в биологических системах, так и для планет.

8) В химической кинетике выполняется принцип Ле-Шателье: При внешнем воздействии на систему, находящуюся в равновесии, равновесие будет сдвигаться в направлении того процесса, который противодействует данному воздействию.

9) Исходные условия находятся в соответствии с Принципом дополнительности Н. Бора: для полного описания квантово-механических явлений необходимо применять два взаимоисключающих (дополнительных) набора классических понятий, совокупность которых дает исчерпывающую информацию об этих явлениях как о целостных. Например, описание объекта как частицы и как волны.

В таких примерах:

1. если процессы идут по градиенту (энтропия), то это параметры – t, , E, , r, ;

2. Если процессы идут против градиента (негэтропия), то это параметры – S, , ν, ,, µ, G, ,l.

5. S – кривые в экономике

S – кривые часто используются в экономических исследованиях, например: динамика ВВП, количество и объем продукции, прогнозирование инновационного потенциала и т.д. Так для оценки рациональной рыночной цены используются графики линии спроса (аналогия энтропии) и линии предложения (аналогия негэнтропии) – рис. 3 [10]

Из графика следует, что рациональная рыночная цена устанавливается при условии равенства линий спроса и предложения.

Показательна диаграмма мировой динамики ВВП, которая практически соответствует графику негэнтропии [11] – рис. 4. Основное уменьшение роста ВВП начинается с 2018 года и во время пандемии коронавируса становиться очень значительным.

Рис. 3. График спроса и предложения

При этом ВВП Китая постоянно увеличивается, хотя и с замедлением даже в 2020 году. Чтобы не было стагнации ВВП возможно некоторым негэнтропийным экономикам необходимо дать небольшое дополнение энтропийной составляющей. В Мире уже есть опыт Китая и опыт борьбы с короновирусом. Так те государства, у которых процент госпредприятий был даже небольшим, быстрее сориентировались и лучше справляются с этой проблемой.

Рис. 4. График мирового ВВП.

6. S – кривые и COVID-19

Неравновесная динамика может проявляться в вирусной этиологии, которая может интерпретироваться как плавный переход от атомно-молекулярных взаимодействий на микроуровне к формально аналогичному процессу в макросистемах. Эта аналогия подтверждается графиком (рис. 5) для Российского сценария коронавируса [12] – в его наиболее сложный период, до появления омикронного вируса. Используя сравнительную методику с эталонными номограммами, можно сделать некоторые предположения о дальнейшем течении ковидного сценария [13].

Рис. 5. Количество заболеваний на данный момент времени.

7. Энтропийные принципы биоэнергетики

Биоэнергетика живых систем определяет широкий спектр их функциональных возможностей. И прежде всего – продолжительность жизни. Проблемы долголетия всегда изучались, и исследовались в мире, а их результаты учитывались и применялись, хотя с разным успехом в разное время. Наиболее резко длительность жизни людей стала расти после 20-х годов XX столетия, в основном, благодаря более развитой медицине (но не только). Для продления жизни человека теперь применяются генопротекторы, которые нормализуют нарушенные функции органов. Разработаны и используются методики лечения с применением статинов для снижения уровня холестирина низкой плотности.[14] Исследуются возможности генной инженерии, которая, меняя геном человека, могла бы способствовать в лечении наследственных болезней. В данной статье такие проблемные вопросы рассматриваются с позиции принципов энтропийных соотношений.

Так работает сердце: рабочая фаза (систола) всегда сопровождается функционально равноценной фазой отдыха (диастола). Давно установлено, что в тепловых процессах в открытой термодинамической системе энтропия полностью компенсируется потоком негэнтропии. Поэтому, условием статистической стабильности любой системы является равенство или паритетное соотношение этих энтропийных параметров. В неравновесной динамике такие энтропийные соотношения наглядно представляются в виде графиков, которые называют S-кривые. Например, кривые функциональных зависимостей параметров в эпидемиологических сценариях.

Для живых систем в плане их долголетия, и с позиции энтропийных соотношений, должны выполняться два простых общеизвестных правила:

1. Сколько калорий поглощается, ровно столько же их нужно расходовать.

2. Сколько живой организм отдыхает, столько же он должен работать (по времени и по интенсивности).

Вид питания имеет большое значение, но не всегда принципиальное по составу.

И нам важно и нужно понять, и правильно использовать такие принципы в своей биофизической философии, при построении энергообмена в собственной жизни, каким бы трудным этот подход не казался.

Заключение

Данный подход не является принципиально новым, и приведенные примеры - не единичны. В 1943 году Э. Шредингер в книге «Что такое жизнь?» объяснил, что в живой системе отрицательная энтропия, создаваемая организмом, уравновешивает поток положительной энтропии. Так, еще тысячи лет назад китайская медицина установила, что все явления мира и природы можно рассматривать как взаимодействие двух противоположных начал единой действительности. А в диалектике выполняется принцип единства и борьбы противоположностей.

С позиции этих представлений физиотерапию и рефлексотерапию можно рассматривать как методику выравнивания потенциалов двух проявлений энергетических начал, которыми по современным понятиям являются энтропия и негэнтропия. И природа в современной ситуации, как и раньше, выполняет свои принципы. Например: коллективным иммунитетом она борется против вируса. Двадцатый век – век войн эпидемий и революций имел большие человеческие потери. Но коэффициент прироста населения оказался самым высоким за всю историю человечества. В настоящее время экологических проблем есть актуальный принцип: сколько углекислого газа создается, столько его и должно поглощаться.

Установленные энтропийные принципы многопланово проявляются и в природе, и в технике, и могут эффективно использоваться.

Так, сотни лет тутовый шелкопряд наматывает шелковую нить на основу под углом 54,733 градуса (геодезический угол). В технике уже давно, при изготовлении космических аппаратов, специальная высокопрочная нить наматывается на корпус под тем же углом. Есть и другие менее известные примеры: при наматывании льна на основу или при работе некоторых устройств в сельскохозяйственной технике и т.д.

Поскольку эти закономерности неизвестны широкой научной общественности, то их применение в практике явно недостаточное. А учитывать эти принципы необходимо в технологии приготовления гибридной продукции, состоящей из двух или более компонентов (или фракций). Например, при изготовлении молокосодержащих составов. Полученная таким способом продукция будет качественно лучше обычной.

Особое значение имеет такая методология в материаловедении. Например, при легировании стали. В таких случаях возникают проблемные вопросы фазообразования и протяженности твердых растворов. Данный подход позволяет найти оптимальные решения для оценки степени взаимодействия атомно-молекулярных структур (ρ).

Используя данную энтропийную методику, и её номограмму, можно оценивать процессы изоморфизма, и формирования твердых растворов в простых и сложных системах.

Это и есть практические возможности применения данной методологии в научных исследованиях и в технологических новациях.