Связь между энтропией и информацией

22. Связь между энтропией и информацией.

Информация – центральное понятие кибернетики.

• одна из сущностей мира (материя - дух - информация);

• философская категория;

• всеобщее свойство материи;

• сведения, которыми обменивается система;

• система знаков;

• мера свободы чьего-либо выбора, логарифм доступных выборов.

Информационная энтропия – мера неполноты информации о внутренней структуре системы.

Теорема Шеннона - (касается передачи сигнала при наличии помех, приводящих к искажениям), возможность восстановления сигнала зависит от скорости его передачи, при скорости выше критической сигнал не может быть восстановлен.

Лекция 8. Современные взгляды на устройство и происхождение Вселенной.

23.Гипотезы образования Вселенной.

1) Больцман – флуктуационная гипотеза: на фоне всеобщей тепловой смерти появляются и существуют отдельные миры.

2) Фридман А.А. – Вселенная должна изменяться со временем: расширяться, сжиматься, либо пульсировать.

3) Сахаров А.Д. – до рождения Вселенной была антивселенная, которая сжалась в сингулярность.

4) Бонди, Голд, Хойл (Кэмбридж) – гипотеза «стационарной Вселенной» – идея непрерывного творения материи.

5) В настоящее время наиболее популярны две гипотезы: Большой Взрыв Г.Гамова и инфляционная модель Линде и Гута. Отличаются до 10–30 секунд наличием во второй модели стадии инфляции (раздувания).

Хаббл обнаружил «разбегание» галактик - расширение Вселенной в настоящее время. Фотометрический парадокс – Ж.Шеро - при бесконечности Вселенной небо должно быть освещено равномерно.

Время существования Вселенной – 13-20 млрд лет.

Галактики - спиральные, эллиптические, неправильные. Наша Галактика - Млечный путь. Квазары – ядра галактик в состоянии активности. Черные дыры- звезды, которые в результате гравитационного коллапса сжались до такой плотности, что даже излучение не может выйти наружу.

Лекция 9. Химические процессы

Периодический закон Д.И.Менделеева и строение атомов.

Открыт в 1869 г., в то время в таблице было 62 элемента. Свойства элементов находятся в периодической зависимости от заряда их атомных ядер. Штарк – ввел понятие валентности, связав его с числом электронов на внешнем энергетическом уровне.

Гайтлер и Лондон – предложили модель электронного облака вокруг ядра.

Эрнест Резерфорд предложил ядерную (планетарную) модель атома: в ядре протоны 11p (положительно заряженные частицы) и нейтроны 01n (незаряженные частицы). Вокруг ядра вращаются отрицательно заряженные частицы – электроны. Число протонов равно числу электронов и равно номеру элемента в периодической таблице.

Изотопы – совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра.

Место и роль химии в современной цивилизации.

Основные понятия химии:

1)Молекула – мельчайшая частица вещества, сохраняющая его индивидуальные свойства. Молекулы состоят из атомов, связанных химическими связями. Расстояние между атомами в молекуле 1 – 4 ангстрема (1A=10–10м). В настоящее время молекулы, макромолекулы, монокристаллы и другие квантово-механические системы относятся к химическим соединениям. Известно около 8 млн. химических соединений, 96% из них – органические.

2)Типы химических связей:

-ионная (один атом отдает другому один или 2 электрона), например, NaCl;

-ковалентная (возникает обобществленная пара электронов), например, Si, H2;

-водородная (атом Н соединен ковалентной связью с другим атомом так, что его водородная часть оказывается положительной и соединенной с третьим атомом) – самая слабая, но наиболее распространенная в природе.

3)Принцип Ле-Шателье: внешнее воздействие, которое выводит систему из состояния термодинамического равновесия, вызывает в ней процессы, направленные на ослабление такого влияния (это пример отрицательной ОС).

4)Валентность – число электронов на внешнем уровне.

5)Химические реакции – образование новых соединений из реагентов.

Время реакции – примерно 1 фс (фемтосекунда) = 10–15с.

- экзотермические – с выделением энергии,

- эндотермические – с поглощением энергии,

- для начала химической реакции необходима энергия активации;

- фотохимические реакции – под действием света;

- цепные реакции, которые раз начавшись, продолжаются до полного завершения (например, фотохимическая цепная реакция:

Cl + H2 HCl + H,

H + Cl2 HCl + Cl, и т.д. )

- катализаторы (и ингибиторы) – вещества, изменяющие скорость химических реакций, энергию активации стараются снизить с помощью катализаторов;

- самопроизвольные химические реакции происходят в направлении возрастания энтропии (S);

- химические реакции возможны, если они сопровождаются уменьшением свободной энергии (F = E – TS).

Особенность химии – она сама создает объект своей науки.

Фундаментальные основы современной химии:

- квантовая механика;

- атомная физика;

- термодинамика;

- статистическая физика;

- физическая кинетика.

Значение химии в современной цивилизации. Химия связана с:

• химической промышленностью;

• сельским хозяйством;

• фармакологией;

• пищевой промышленностью,

• производством СМС, лаков и красок.

Химия внедрилась в естественный круговорот веществ (например, ДДТ – дихлордифенилтрихлорметилметан- (ClC6H4)2CH-CCl3).

Концептуальные уровни современной химии.

Сложились 4 подхода к решению основной задачи – 4 концептуальных уровня химических знаний:

1. Учение о составе (17 – 19 в.в.) (Авогадро в 1811 г. ввел понятие «молекула» – микрочастица, способная к самостоятельному существованию)

2. Структурная химия (с 19 в.) (реакционная способность соединения зависит от химической активности отдельных фрагментов; хиральность – неодинаковость свойств веществ с левосторонней и правосторонней симметрией)

3. Учение о химических процессах (с 1950–х г.) (область взаимного проникновения химии, физики и биологии)

4. Эволюционная химия (с 1970–х г.) (поиск условий, при которых в процессе химических превращений происходит самосовершенствование катализаторов реакций; изучение самоорганизации химических систем, происходящей в живых клетках).

Основные направления современной химии. Химические процессы.

Химию принято разделять на пять разделов: неорганическая, органическая, физическая, аналитическая и химия высокомолекулярных соединений. Органическая химия – наиболее крупный раздел химии. Еще в 1910 г. С.В.Лебедев разработал промышленный способ получения бутадиена, а из него каучука.

В 1960-х годах было обнаружено самосовершенствование катализаторов в ходе химических реакций.

Основная задача современной химии – исследование генезиса (происхождения) свойств веществ и разработка методов получения веществ с заранее заданными свойствами.

А.Е. Арбузов: «Подражание живой природе есть химизм будущего». Основные направления биохимии - изучение биокатализа, установление структуры и синтез витаминов, белков, нуклеиновых кислот, антибиотиков и т.д.

Новые направления: химия экстремальных состояний (высокие температуры и давления), плазмохимия, элионные технологии – химические процессы в электрических полях.

Сущность химической эволюции.

В настоящее время открыты и получены на ускорителях 118 элементов.

6 из них - органогены (основные элементы биологических систем):

C, O, H, N, P, S. Их общая доля составляет ~ 97,4% в органических соединениях. 12 элементов – Na, K, Ca, Mg, Fe, Si, Al, Cl, Cu, Zn, Co, Mn ~ 1,6 %. Всего ~ 8 млн. химических соединений, из них только ~ 300 000 – неорганические соединения.

На Земле: O –47,0%, Si – 27,5%, Al – 8,8%, Fe – 4,6%, Ca –3,6%, Na - 2,6%, K –2,5%, Mg – 2,1%. С – на 16 месте. Весовая доля C, N, P, S – 0,24 %.

Таким образом, геохимические условия не сыграли существенной роли в отборе химических элементов для формирования органических систем.

Принципы отбора химических элементов:

1) способность образовывать прочные энергоемкие химические связи;

2) лабильность( изменчивость) образуемых химических связей.

Органоген №1 – углерод!

В биохимии особую роль играют три класса молекул мономеров:

Аминокислоты (мономеры белков), нуклеотиды (мономеры нуклеиновых кислот) и моносахариды (мономеры полисахаридов).

В организме человека синтезируются 12 аминокислот, 8 должны поступать с пищей. Из 100 известных аминокислот только 20 входят в состав белков.

Белок состоит из тысяч аминокислот и имеет сложную структуру.

Нуклеиновые кислоты – ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота) - самые крупные молекулы в живых организмах.

Роль воды в живой материи.

Вода имеет уникальные свойства:

- большие поверхностное натяжение и капиллярность (так как молекулы воды притягиваются друг к другу и к молекулам трубок);

- в воде растворяется больше веществ, чем в любом другом растворителе (растворяет полярные вещества);

- имеет высокие теплопроводность, температуру плавления и температуру кипения;

- имеет максимальную плотность при +4Со, при кристаллизации объем резко увеличивается;

- вода – среда, в которой происходят все биохимические реакции, и их участник. Жизнь зародилась в воде!

Лекция 10. Современные концепции развития геосферных оболочек

Внутреннее строение и история геологического развития земли.

Происхождение планет изучает космогония.

Гипотезы происхождения:

- небулярные (из тумана) - материя планет выброшена из недр Солнца ударом комет (Леклерк, Бюффон); из космического облака - хаоса - Кант;

- ротационная небулярная гипотеза (Кант-Лаплас): по мере вращения первичного Солнца от него отделялись газовые кольца, которые, разрываясь, образовали планеты;

- катастрофическая (Джинс)- массивная звезда, проходя мимо Солнца, вызвала приливные волны и вырвала газовые струи;

- метеоритная (О.Ю.Щмидт) – планеты образовались из метеоритов;

Гипотезы образования горных пород и ландшафтов:

- нептуническая (Вернер) - вначале Земля была покрыта океанами;

- плутоническая (Геттон) – землетрясения, вулканическая деятельность;

- теория единообразных изменений (Лайель) - геологические явления вызваны природными факторами.

Первичная атмосфера - CO2, NH3, CH4, пары H2O, несколько инертных газов. Резкое изменение состава – ок.2 – 3 млрд. лет назад связано с зарождением жизни. Последние 200 млн. лет состав постоянный:

21% O2 ,78% N2, 1% - другие вещества.

Влияние Солнца и Луны вызывает приливы не только в жидкой, но и в твердой оболочке Земли - в результате сутки удлиняются примерно на 0,002 с за 100 лет. 2 млрд. лет назад сутки составляли 10 часов.

В фанерозое (изученный период геохронологии) были две обширные платформы - Гондвана и Лавразия (Лаврентьевский щит + Азия), около 250 млн. лет назад – единый суперконтинент – Пангея. Сейчас примерно 15 жестких плит, 6-7 крупных. Происходит дрейф континентов. (Тихий океан уменьшается, а Атлантический – расширяется со скоростью несколько см в год).

Геохронология - в 1881 г. в г.Болонья была принята геохронологическая шкала: эра, период, эпоха, век, время. Фанерозой (570 млн.лет) – лучше изученная часть – состоит из эр: палеозоя, мезозоя и кайнозоя. Более древняя часть – криптозой (от 570 млн. до 3800 млн. лет назад).

Все тела Солнечной системы состоят, в основном, из небольшого числа элементов. Все элементы разделены на 4 группы:

• атмофильные – склонны накапливаться в атмосфере;

• литофильные – образуют твердую оболочку планет;

• халькофильные – создают соединения с серой;

• сидерофильные – способны растворяться в сплавах железа.

Известно всего 66 минералов.

Современные концепции развития геосферных оболочек.

Земля разделена условно на сферы: ядро, мантия (халькосфера, тонкий слой – астеносфера), литосфера, атмосфера, гидросфера – водная оболочка Земли (в литосфере и атмосфере), биосфера - живая оболочка Земли (в гидросфере, атмосфере и верхнем слое литосферы), ионосфера – слой ионизированного газа в верхних слоях стратосферы, озоносфера – озоновый слой (в стратосфере), магнитосфера- магнитное поле Земли.

Вблизи Северного географического полюса находится южный магнитный полюс, вблизи южного географического – северный магнитный.

Лекция 11. Литосфера и жизнь

Литосфера как абиотическая основа жизни. Экологические функции литосферы.

Океан Суша

Поверхность 71% 29%

Биомасса 0,13% 99,87%

Животных 7% 93%

Растений 8% 92%

Литосфера является абиотической (небиологической) основой, на которой существует жизнь.

По В.И. Вернадскому часть литосферы входит в биосферу как элемент - косное, биокосное и биогенное вещество; жизнь - мощная геологическая сила, формирующая облик Земли. Верхний слой литосферы – почва – сформирован с помощью живых организмов и является местом их обитания. В литосфере происходит постоянная миграция атомов в результате деятельности живых существ.

Ресурсная функция литосферы состоит в образовании различных веществ (в том числе – полезных ископаемых).