• Nie Znaleziono Wyników

S M O P R Z Y R O D N I C Z E O R G A N P O L S K IE G O T O W A R Z Y S T W A P R Z Y R O D N IK Ó W IM . K O P E R N IK A

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "S M O P R Z Y R O D N I C Z E O R G A N P O L S K IE G O T O W A R Z Y S T W A P R Z Y R O D N IK Ó W IM . K O P E R N IK A"

Copied!
36
0
0

Pełen tekst

(1)

S M O P R Z Y R O D N I C Z E

O R G A N P O L S K I E G O T O W A R Z Y S T W A P R Z Y R O D N I K Ó W IM . K O P E R N I K A

MAJ 1966 ZESZYT 5

P A Ń S T W O W E W Y D A W N I C T W O N A U K O W E

(2)

T R E S C Z E S Z Y T U 5 (1976)

G ó r s k i F ., 100 l a t e n t r o p i i ... 109

G r o m y s z - K a ł k o w s k a K ., R e a k c je g ą s ie n ic k o s z ó w e k P s y c h e m c ie lla S c h iff. w o b r o n ie d o m k ó w ... 115

C h m i e l e w s k a I., H o r m o n a ln a r e g u l a c ja b io s y n te z y b i a ł k a ... 118

B i r k e n m a j e r K ., G ó r a K o p e r n ik a n a S p i t s b e r g e n i e ... 122

S t e c k i K ., B o h a te r c z y tc h ó r z ? (Z ż y c ia s k o r u p ia k ó w i o w a d ó w ) . . . . 124

D ro b ia z g i p r z y r o d n ic z e J a w o r — A c e r p s e u d o p la ta n u s L . o w y ją tk o w o n ie z w y k ły m p o k r o ju (C. P a c y n i a k ) ... 127

J a s k in i a K r y s z ta ło w a (W . B a r s k i ) ...127

R o ś lin n e c z y n n ik i a n ty k o n c e p c y jn e (W. J . P a j o r ) ... 129

E n e r g ia g e o te r m a l n a (E. S c h n a j d e r ) ... 130

R o z m a ito ś c i ... 130

R e c e n z je M ik o ła j K o p e r n ik . S z k ic e m o n o g r a fic z n e . P r a c a z b io r o w a p o d r e d . d r J . H u r w i c a (S. R . B r z o s t k i e w i c z ) ... 132

M . S a d o w s k i : Ś w ia t w y s o k ic h t e m p e r a t u r ( m . ) ... 133

O . W o ł c z e k : I z n ó w b liż e j g w ia z d ( m . ) ... 133

A . T u s z k o : S p r a g n i o n a z ie m ia ( m . ) ...133

S p r a w o z d a n ia W y s ta w a w e W r o c ła w s k im M u z e u m Z o o lo g ic z n y m ( M . ) ...133

S p r a w o z d a n ie z K o n g r e s u M ię d z y n a ro d o w e g o T o w a r z y s tw a L im n o lo g ic z ­ n e g o (J. S i e m i ń s k a ) ... 135

S p r a w o z d a n ie O d d z ia łu Ł ó d z k ie g o P T P im . K o p e r n ik a z a I I p ó łro c z e 1965 r ... 135 S p r a w o z d a n ie O d d z ia łu P o z n a ń s k ie g o P T P im . K o p e r n ik a za r o k 1965 136

S p i s p l a n s z

I. M Ł O D A S O W A U S Z A T A — A s io o tu s . — F o t. B . S ie m a s z k o I l a . K A R K O N O S K I P A R K N A R O D O W Y . R ó w n ia p o d Ś n ie ż k ą w K a r ­

k o n o s z a c h — s t r e f a k o s o d r z e w in y (1400 m ). — F o t. A . B o rk o w s k i I l b . F R A G M E N T R E Z E R W A T U g e o lo g ic z n o -f lo ry s ty c z n e g o n a O s­

tr z y c y k o ło P ro b o s z c z o w a , p o w . Z ło to r y ja . W id o c z n e są g o ło b o rz a b a z a lto w e . — F o t. A . B o r k o w s k i

I I I . P R Z E Ł O M W A R T Y w M iro w ie k . C z ę s to c h o w y . O s ta n ie c w a ­ p ie n n y „ B o lk o w a s k a ł a ” . — F o t. J . H e r e ź n ia k

IV . D Z IU P L E . — F o t. J . K o p to n

O k ł a d k a : R Z E K O T K A D R Z E W N A — H y la a r b o r e a (L.). — F ot. J. H ere źn ia k

(3)

P I S M O P R Z Y R O D N I C Z E

O R G A N P O L S K I E G O T O W A R Z Y S T W A P R Z Y R O D N I K Ó W IM. KOPERNIKA

MAJ 1966 ZESZYT 5 (1976)

F R A N C IS Z E K G Ó R S K I (K rak ó w )

100 L A T E N T R O P II

Sto la t tem u, w 1865 r., po raz pierw szy w d ru k u ukazał się te rm in entrop ia. P u b lik a­

cja, w k tó re j się to dokonało, b y ła jed n ą z roz­

p ra w z zak resu term o d y n am ik i, ogłoszonych w ty m czasie przez niem ieckiego fizyka R u­

dolfa C l a u s i u s a (1822— 1888), w te d y p ro ­ fesora p o litech n ik i w Z urichu. T erm in te n w y ­ w odzi się z d w u g reckich słów: en, czyli w, oraz trope, czyli obrót, a w szerszym znaczeniu zm iana. E n tro p ia m ia ła zatem oznaczać pew ną przem ianę to w arzyszącą procesom fizycznym lub chem icznym .

Od 1865 r. pojęcie e n tro p ii zrobiło — jeśli się m ożna ta k w yrazić — w ielk ą k a rie rę w y ­ kraczając daleko poza granice term odynam iki.

Z tego pow odu w skazan e je st rozpatrzeć, ja ­ kie b y ły dalsze 100-letnie koleje tego pojęcia.

G łów nym p rzed m io tem b ad ań fizyki i che­

m ii są zachodzące w naszym otoczeniu procesy, podczas k tó ry c h m a te ria i en ergia ulegają pew - nym przem ianom . P rzew ażn ie są to procesy sa­

m orzutne, albo spontaniczne, czyli takie, które przeb iegają sam e z siebie, o ile tylk o zostały stw orzone odpow iednie w aru n k i. P rzy k ładam i procesów sp on tanicznych są: płynięcie w ody od poziom u w yższego do niższego, stygnięcie ciała cieplejszego od otoczenia (np. pieca), rozpu­

szczenie się k a w ałk a cu k ru w w odzie, zacho­

dzenie w ielu rea k c ji chem icznych, np. zobojęt­

nienie kw asu ługiem .

N atom iast zjaw isk a odw rotne do opisyw a­

n y c h nie zachodzą nigd y spontanicznie; na

przykład nie stw ierdzam y, żeby pokój się ozię­

bił, a piec się rozgrzał kosztem ciepła pobra­

nego z otoczenia. Nie zdarza się, żeby sól w roztw orze w odnym sam a z siebie rozłożyła się n a kw as i ług w te n sposób, żeby w je d ­ nej części ro ztw o ru nagrom adził się kwas, a w drugiej ług. Fakt, że zjaw iska, k tó re za­

chodzą sam e z siebie w pew nym kieru nk u, nigdy nie zachodzą sam o rzu tnie w k ieru n k u odw rotnym , nie w yklucza m ożliw ości przep ro ­ w adzenia procesów w k ieru n k u odw rotnym do spontanicznego. J e s t to operacja w ykonalna, ale tylk o pod w a ru n k iem zastosow ania odpow ied­

n ich urządzeń i n ak ład u energii. T ak np. m ożna w odę przeprow adzić ze zbiornika niżej położo­

nego do zbiornika na ppziom ie w yższym , ale pod w a ru n k ie m zastosow ania pom py, m otoru poruszającego tę pom pę i źródła energii dla utrzy m ania m o to ru w ru chu , oraz zastosow ania system u r u r m iędzy obom a zbiornikam i. Przez odparow anie w ody m ożna doprow adzić do w y ­ k ry stalizow ania sub stancji rozpuszczonej w roz­

tw orze, a za pom ocą p rą d u elektrycznego w aparacie dla elek tro lizy m ożna dokonać roz­

k ład u soli n a kw as i m etal. Są to jed n a k zabiegi w ym agające specjaln y ch urządzeń, a przede w szystkim n ak ła d u energii.

N atom iast procesy spontaniczne są procesam i, któ re m ożna w ykorzystać d la o trzy m an ia e n e r­

gii w form ie dla nas szczególnie użytecznej. N a tej w łasności opiera się n a w e t ścisła definicja term o dy nam iczna procesu sam orzutnego. Na

16

(4)

110

p rzy k ła d płynięcie w od y ze z b io rn ik a w yżej po ­ łożonego do niższego m ożna w y k o rz y sta ć dla uru ch o m ien ia tu rb in y , k tó ra n a m dostarczy en erg ii m echanicznej. S a m o rzu tn ą rea k c ję ch e­

m iczną m ożna w y k orzystać d la b u d o w y ogni­

wa, dostarczającego p rą d u elektrycznego.

W dalszym ciągu będziem y się posługiw ać term in e m uk ład (albo system ) d la w y ró żn ien ia pew nej części otaczającej nas rzeczyw istości.

Na przy k ład u k ładem je s t ogniw o elek try czne, albo pokój, w k tó ry m zachodzi stygnięcie ro z­

grzanego pieca. W szystko co się z n a jd u je poza układem , nosi nazw ę otoczenia. Często celow e okazuje się rozszerzenie u k ład u przez w łączenie do niego bliższego otoczenia, czyli tego, w k tó ­ ry m zachodzą zm iany p rzyczynow e skojarzone ze zm ianam i o dbyw ającym i się w układzie, np.

zm iany te m p e ra tu ry w otoczeniu. W tedy roz­

szerzony u k ład przechodzi w u k ła d z am k n ięty i izolow any, k tó ry n ie w y m ien ia an i m ate rii, ani en erg ii z dalszym otoczeniem .

O znaczm y przez A i B dw a ró żn e sta n y p e w ­ nego u k ład u . N a p rzy k ład stan em A będzie ro z ­ tw ó r w o d n y cukru, a stan em B w o d a z dopiero co w rzu co ny m kaw ałk iem cu k ru . A lbo: s ta n A — gorący piec, chłodny pokój; s ta n B — le t­

ni piec i o grzany pokój. P ro blem , k tó ry długo in te reso w ał fizyków da się streścić ja k n a s tę ­ p u je : znan e n a m są bliżej sta n y A i B u k ład u , czy m ożna n a te j po dstaw ie znaleźć pew ne k r y ­ teriu m , k tó re pozw oli ro zstrzygnąć, w k tó ry m k ie ru n k u będzie zachodzić proces spon tan iczny , czy w k ie ru n k u A— B, czy w k ie ru n k u o d w ro t­

n y m B— A? W pierw szy m z przytoczo ny ch p rzy k ład ó w chodzi o ro zstrzyg n ięcie czy proces sa m o rz u tn y będzie polegał n a ro zp u szczen iu się c u k ru w w odzie (proces B—A), czy n a w y tr ą ­ ceniu się rozpuszczonego c u k ru w fo rm ie k r y ­ stalicznej (proces A— B). W d ru g im p rz y k ła ­ dzie chodzi o u d zielenie odpow iedzi n a p y ta n ie czy piec ostygnie, a pokój się ogrzeje, czy od­

w ro tn ie , pokój ostygnie a piec ogrzeje się ko ­ sztem ciepła p o b ranego z najbliższego otocze­

nia, czyli pokoju.

Otóż u d zielen ie odpow iedzi n a in te re su ją c y nas problem , czyli znalezienie k ry te rió w roz­

strz y g a ją c y ch o k ie ru n k u , w k tó ry m zachodzić będzie proces sam orzutn y , n ie n a tra fia na w iększe tru dn ości, o ile ograniczyć się do z ja ­ w isk tego sam ego, dość w ąsk ieg o ty p u . I ta k w a ru n k ie m przecho d zen ia ciepła z ciała A do ciała B je s t to, żeby ciało A m iało w yższą te m p e ra tu rę niż ciało B. P o d ob n ie w a ru n k ie m e k sp an sji gazu je s t różnica ciśn ień d o d a tn ia m iędzy gazem w sta n ie A i w sta n ie B, po ek sp an sji zaw sze będzie Vb > V A- (V — ob­

jętość gazu). W a ru n k iem d y fu zji (rozpuszczanie się je st procesem d y fu zy jn y m ) są różnice w stężen iach d an ej su b sta n c ji w je j otoczeniu.

M ożna by zatem uw ażać, że p ro b lem je s t w zasadzie załatw iony. Z ależnie od n a tu ry p ro ­ cesu sto sujem y tak ie czy in n e k ry te riu m i do­

w ia d u je m y się, w k tó ry m k ie ru n k u pójdzie proces sam o rzu tn y . T ym czasem fizy k a nie za­

dow ala się tego ro d za ju ro zw iązaniem . W sw y m dążen iu do w y k ry w a n ia coraz ogólniejszych praw , rządzących otaczającym i n as zjaw isk am i

zm ierza ona do tego, żeby znaleźć ty lk o jedno, ale zato b ardzo ogólne k ry te riu m , k tó re by za­

stąp iło liczne, ale o w ąskim zastosow aniu k ry ­ teria.

F izyka zm ierza zatem do tego, żeby zna­

leźć p ew n ą w ielkość (m atem aty k pow iedziałby funkcję), oznaczaną zazw yczaj sym bolem S, k tó ra w sta n ie A m iałab y w arto ść Sa, a w sta ­ n ie B u k ład u w arto ść Sb. Zależnie od tego czy S B byłoby w iększe od Sa, czy m niejsze, proces p rzeb iegałby sam o rzu tn ie w k ie ru n k u A— B, albo w od w rotnym . Oczywiście w arto ść S b ę­

dzie zależeć od w ielkości określający ch bliżej sta n układ u, a zw anych często p a ra m e tra m i sta ­ n u ; n ależą do n ich te m p e ra tu ra , objętość, skład u k ład u , ciśnienie, pod jak im się on znajduje.

W razie p o trzeb y należy dołączyć jeszcze inne w ielkości, np. n a tu ry elektryczn ej i m agnetycz­

nej. Z akład am y zatem , że n a p o dstaw ie znajo­

m ości p a ra m e tró w u k ład u w stan ie A i B obli­

czam y SA i S B, a ty m sam ym różnicę A S =

= S B — SA.

Ł atw o się dom yśleć, że w ielkość S z koniecz­

ności będzie m ieć w ysoce od erw any ch a ra k te r.

W ynika to z je j uniw ersalności, czyli z m ożli­

wości zastosow ania jej do w szystkich procesów fizycznych i chem icznych. Na przy k ład S nie m oże być te m p e ra tu rą , poniew aż nie znalazłaby zastosow ania do procesów izoterm icznych czyli p rzeb ieg ający ch w stałej tem p e ra tu rz e . Nie m o­

że być ciśnieniem , poniew aż zaw iodłaby jako k ry te riu m w procesach, podczas k tó ry c h ciśnie­

n ie nie uleg a zm ianie. N ie m oże być n a tu ry elek try czn ej lu b m agnetycznej, poniew aż b a r­

dzo liczne procesy (np. reak cje chem iczne) p rze­

b ieg ają bez objaw ów elek try czn y ch lu b m agne­

tycznych.

N a p y tan ie, czy udało się fizyce znaleźć w ie l­

kość o ta k u n iw e rsa ln y m zastosow aniu, odpo­

w ied ź je s t nie ty lk o tw ierdząca, ale w ym aga n a w e t u zupełnien ia, że to pow iodło się n a dw a b ardzo różne sposoby. Czy trz e b a dodaw ać, że w łaśnie w ielkość S o trzym ała nazw ę entropii.

Fizyk, k tó ry p rag n ą łb y n am w y jaśn ić isto tę en tro p ii, zaproponow ałby przepro w adzenie in ­ teresującego nas procesu w stałej tem p e ra tu rz e , o ile oczywiście ję s t to w ykonalne. T em p era­

tu rę trzeb a w y razić w skali bezw zględnej, któ­

rą ja k w iadom o, o trzy m u je się dodając 273 sto­

p n i do te m p e ra tu ry w yrażo nej w skali Celsiu- sza. Stałość te m p e ra tu ry przebiegu procesu łatw o zapew nić, um ieszczając u k ład w obszer­

n y m term o stacie, k tó ry zależnie od n a tu ry p ro­

cesu będzie o d b ierał ciepło w ydzielone przez u k ład lu b je uk łado w i oddaw ał. Na przykład, jeż e li proces polega n a to p n ie n iu lodu, to te r ­ m o sta t dostarcza ciepła niezbędnego dla p rze ­ pro w ad zen ia tego procesu.

N astęp n ie fizyk zażąda od nas przeprow ad ze­

n ia procesu w szczególny sposób zw an y o d w ra­

calnym , a p o n ad to dokładnego u sta le n ia — za pom ocą odpow iedniej a p a ra tu ry — ilości cie­

p ła (w kaloriach), k tó rą uk ład w yd zieli do oto­

czenia lu b z niego pobierze. N ie m ożem y w cho­

dzić tu w dość tru d n e zagadnienie o dw racal- ności procesów fizycznych lu b chem icznych;

ogran iczym y się do zaznaczenia, że p rzep ro w a-

(5)

111 dzenie procesu (sam orzutnego) n a drodze od­

w racaln ej polega n a przeprow ad zen iu go w ta ­ ki sposób, żeby — ew en tu aln ie za pom ocą do­

datkow ych u rządzeń — uzyskać m aksym alną ilość e n e rg ii w form ie użytecznej. N a p rzykład reak cję chem iczną przeprow adzim y w ogni­

w ie w ty m celu, żeby otrzym ać uw olnioną energię w postaci energ ii elektrycznej, a dy- latację gazu sko jarzym y z w y konaniem przez niego pracy m echanicznej (ryc. 1).

R y c. 1. N a le w o o g n iw o D a n ie lla . P — p o r o w a ta p r z e ­ g ro d a o d d z ie la ją c a d w a r o z tw o r y w o d n e : s ia r c z a n u c y n k u n a le w o , s ia r c z a n u m ie d z i n a p ra w o . Z n — e le k tr o d a c y n k o w a , p r ę t ; C u — e le k tr o d a m ie d z io w a , p r ę t. G — g a lw a n o m e tr . W o g n iw ie z a c h o d z i r e a k c ja : Z n + C u S O i = Z n S 0 4 + C u . N a p ra w o d y la t a c ja g a z u z o b ję to ś c i v t do o b ję to ś c i v 2 p o łą c z o n a z w y k o n a n ie m p r a c y m e c h a n ic z n e j, p o d n ie s ie n ie m c ię ż a ru P . Z a le ż n ie od w ie lk o ś c i te g o c ię ż a ru w y k o n a n a p r a c a W b ę d z ie s ię w a h a ć w g r a n ic a c h od z e r a do w a r to ś c i m a k s y ­

m a l n e j W m a x

Nam w y starczy w iedzieć, że ilość ciepła w y ­ m ieniona przez u k ład z otoczeniem , zgodnie z po stu latem odw racalności, w ynosi Q. W te­

dy — ta k nam ośw iadczy fizyk — iloraz Q/T będzie p rzy ro stem e n tro p ii tow arzyszącym p ro ­ cesowi, k tó ry je s t przedm iotem naszych badań.

E n tro pia je s t zatem ilością ciepła w ym ienioną m iędzy u k ładem a otoczeniem w ściśle określony sposób (odw racalny), podzielony przez te m p e ra ­ tu rę , w k tó rej odby w a się proces i w y m ian a cieplna.

O graniczym y się ty lk o do jednego p rzy kładu dla zilu strow ania ja k oblicza się zm ianę e n tro ­ pii tow arzyszącą procesow i fizycznem u. N iech w zlew ce z n a jd u je się 1 m ol lodu. Dla jego sto­

pienia w te m p e ra tu rz e 0°C, czyli 273°K po­

trzeb a doprow adzić 1437 kalorii; stąd w ynika, że A S = 1437/273 = 5,25 jedn o stek entropii.

P rzepro w ad zenie tej w ody w stan p ary , ró w ­ nież w te m p e ra tu rz e 0°C w ym agałoby d o star­

czenia (co n ajm n iej) około 10760 kalorii; stąd A S = 10760/273 = 39,4 jedn. Dodać trzeba, że jed n o stk ą e n tro p ii je s t k alo ria (mała) n a 1 sto­

pień term iczny , albo, w in n y m system ie m iar 1 J (dżul) n a 1 stopień. D la tej ostatniej jed n o stk i zaproponow ano nazw ę „clausius”, sym bol cl.

T rzeba jed n a k podkreślić, że procesy odw ra­

calne nie są w 100 p ro cen tach w ykonalne, m o­

żem y się jed y n ie do ich realizacji m niej lub w ięcej zbliżyć. Łatw o się o tym przekonać na przykładzie w y m ian y ciepła m iędzy układem a otoczeniem . Jeżeli te n proces m a się dokonać w czasie ograniczonym , nie zanadto długim , tó z konieczności te m p e ra tu ra te rm o sta tu będzie m u siała być nieco w yższa (o + A T ) lub nieco niższa (o — A T ) od te m p e ra tu ry układu, zależ­

nie od k ieru n k u p rzep ływ u ciepła.

R ów nież n ietru d n o zobaczyć, że w p rzem ia­

nach odw racalnych izoterm icznych, w sk utek identyczności te m p e ra tu r u k ład u i otoczenia (ściślej: nieskończenie m ałej, dopuszczalnej do pom inięcia różnicy) zm iana en tro p ii jednego z p a rtn e ró w u k ład u rozszerzonego będzie A S i = + Q /T , a drugiego A S,2 = — Q/T (znaki plus i m inus p rzy Q pochodzą stąd, że ciepło p o b rane przez substan cję (np. układ) liczy się dodatnio, a ciepło oddane u jem nie, a oczywiście co układ tra c i na cieple, to otoczenie zyskuje i n a odw rót). W sum ie zatem globalna zm iana en tro p ii u k ład u rozszerzonego będzie rów na ze­

ru : A S = A S i + A S2 = 0. Ten zawsze w aż­

n y w yn ik fo rm u łu je się często inaczej, tw ie r­

dząc, że w procesach odw racalnych en trop ia u kładu + otoczenie nie ulega zm ianie. Procesy odw racalne procesam i izoentropow ym i, oczywiście w odniesien iu do u k ład u rozsze­

rzonego.

N atom iast dla przem ian rzeczyw istych i sa­

m orzutnych, k tó ry ch w a ru n k ie m zachodzenia je s t istnienie skończonej różnicy te m p e ra tu r ( + A T albo — A T ) m iędzy układ em a otocze­

niem (term ostatem ) łatw o obliczyć, że globalna zm iana en tro p ii (układ + otoczenie) jest zaw ­ sze dodatnia: A S > 0.

W s a m e j rz e c z y , je ż e li c ie p ło p ły n ie od u k ła d u do o to c z e n ia , to s u m a z m ia n e n tr o p ii w y n o si:

+ Q A T T ( T - A T )

. o - Q , + Q

A S = — b --- A T

i je s t w ie lk o ś c ią d o d a tn ią . N a to m ia s t, je ż e li r u c h c ie p ła o d b y w a się w k i e r u n k u o d w ro tn y m (od t e r ­ m o s ta t u do u k ła d u ) , to s u m a a n a lo g ic z n a z m ia n e n tr o p ii w y n o si:

A S = ■ —Q + +Q _ +Q A T

T + A T ' T T ( T + A T ) i je s t r ó w n ie ż w ie lk o ś c ią d o d a tn ią .

U zyskane określenie entropii, choć nab rało ścisłego znaczenia, pozostaje jed n a k n adal po­

jęciem bardzo oderw anym . W szczególności nie uzasadniliśm y należycie dlaczego określa się ją ilorazem Q/T, a n ie ilorazem T/Q, lub ilo­

czynem Q -T, lub w jeszcze in n y sposób. N a te p y tan ia m ożna udzielić p recyzy jn ej odpowiedzi, w ym aga ona jednak, obok dość obszernych w iadom ości z fizyki i m atem aty k i, dłuższych w y jaśn ień i z tego pow odu m usim y ją pom inąć.

J e s t to dopuszczalne z uw agi na to, że inna dro­

ga doprow adzi nas do o kreślenia entropii, o p ar­

tego n a pojęciach nam dobrze znanych i bli­

skich.

P rzebłyskiem genialności u austriackiego fi-' zyka L udw ika B o l t z m a n n a (1844— 1906) było dostrzeżenie pew nej cechy w spólnej w szy­

stkim sam orzutnie przebiegającym procesom fizycznym i chem icznym . M ianow icie B oltz-

16*

(6)

112

m an n zauw ażył, że podczas teg o ro d za ju proce­

su układ i e w e n tu aln ie otoczenie przechodzą ze sta n u bardziej u porządkow anego do sta n u m n iej u porządkow anego (spostrzeżenie to sfo r­

m uło w ał B oltzm ann w nieco in n ej form ie, w rócim y do tego za chwilę). T ym czasem o b ja­

śn im y jego odkrycie n a k ilk u przy k ład ach . P rzedm iotem naszej uw ag i n iech będzie zlew ka z lodem o te m p e ra tu rz e 0°C um ieszczo­

na w term ostacie, którego te m p e ra tu ra je s t u trz y m a n a na poziom ie ledw o co w yższej od 0°C. Lód jest su b sta n c ją kry staliczn ą, to znaczy w w ysokim sto p n iu u p o rządk o w aną i w y ró ż­

n iającą się niezw ykle re g u la rn ą budow ą. W lo­

dzie, a ogólniej w su b stan cjach krystaliczn ych , d ro b in y i atom y za jm u ją ściśle określone po­

zycje, od k tó ry c h m ogą się je d y n ie nieznacznie odchylać n a sk u tek ru c h u term icznego. Ciepło d o p ływ ające z te rm o sta tu do zlew ki pow oduje pow olne to p n ien ie lodu, czyli jego przejście w sta n ciekły, tj. w w odę; je s t to — trz e b a za­

znaczyć — proces sam orzutny . Podczas to p n ie ­ nia, re g u la rn a i u p o rząd kow an a s tr u k tu ra lodu ulega zanikow i; w w odzie d ro b in y zajm u ją dow olne pozycje i m ogą, w sk u te k ru c h u te r ­ m icznego ulec p rzen iesien iu n a w e t n a dalekie odległości. W po ró w n an iu z lodem w od a je st zatem układ em chaotycznym , pozbaw ionym w iększego uporządkow ania. J e d n a k chaos te n je s t jeszcze u m iarko w an y, ja k to w y n ik a z po­

ró w n a n ia z kolei cieczy z jej p arą. Po sto p ien iu lodu, n a sk u te k dalszego do p ły w u ciepła z t e r ­ m o statu, w oda zacznie przechodzić w s ta n p a ry (rów nież proces spontaniczny, zachodzący n a ­ w e t w te m p e ra tu rz e 0°C!). J e s t oczyw iste, że p a ra w od na zn a jd u je się w sta n ie znacznie b a r­

dziej chaotycznym niż p ły n n a w oda. W stan ie cieczy d ro b in y H2O pozostają p rzynajm niej w k o n tak cie ze sobą i w sk u te k teg o z a jm u ją nie dow olną, lecz określoną objętość. N ato m iast w stanie p a ry te sam e d ro b in y są pojedynczo rozproszone w dow olnej objętości. S ta n chaosu je s t zatem znacznie w ięk szy i ty m w iększy, im w iększa je s t objętość, w k tó re j rozproszone są dro b in y gazu lub p ary . O gólniej pow iem y, że podczas sam o rzu tn ej zm ian y sta n u sk u p ien ia zachodzącej na sk u tek d opływ u ciepła w k o lej­

ności: sta n k ry sta lic zn y — ciecz — p ara, to w a­

rzy szy su b stan cji ulegającej ty m przem ian om zw iększenie się chaosu.

In n y m p rzy k ład em je s t sty g nięcie p rzed m io­

tu o te m p e ra tu rz e w yższej od otoczenia, np.

pieca. W ty m w y p a d k u pow iększenie się chao­

su polega n a tym , że pew n a ilość en erg ii ciepl­

nej o w ysokiej te m p e ra tu rz e i zlokalizow anej w m ałej objętości (np. w piecu) ulega rozp ro­

szeniu w znacznie w iększej o bjętości z rów no­

czesnym obniżeniem te m p e ra tu ry . W ty m w y ­ p a d k u nie m ate ria + en ergia, ale jed y n ie e n e rg ia u leg a rozpro szen iu i w te n sposób p rzy ­ czynia się do pow iększenia chaosu.

Z ty ch przy k ładó w i w ie lu inn y ch , które m ożna b y przytoczyć w y n ik a po n ad w ą tp li­

wość, że procesom sp o n tan iczny m tow arzy szy p rzy ro st chaosu w układzie, a często i w n a j­

bliższym otoczeniu. J e s t to b ard zo doniosłe od­

k rycie, ale je s t ono m im o to n iew y starczające,

poniew aż je st n a tu ry jakościow ej. Tym czasem nauk i, zwłaszcza tzw . (niesłusznie) ś.cisłe w y m a­

g a ją ilościow ego u jęcia zjaw isk. W naszym w y ­ p a d k u te n p o stu la t sprow adza się do py tan ia, czy m ożliw e będzie znalezienie „jed nostek chao su”, za pom ocą k tó ry c h będzie m ożna zm ierzyć chaos układu, lub p rzy n ajm n iej p rzy ro st chao­

su podczas przejścia u k ład u ze sta n u A do s ta ­ n u B. O kazuje się, choć to brzm i niew iarogod- nie, że to je s t m ożliw e.

Z aznaczyliśm y już w yżej, że sw e genialne odkrycie dotyczące sam orzutności procesów fi­

zycznych i chem icznych sform ułow ał B oltz­

m an n w form ie nieco in n ej od w yżej p rzy to ­ czonej. M ianow icie stw ierd ził on, że cechą w sp óln ą w szystk im procesom spontanicznym je s t to, że p rzebieg ają one od sta n u m niej praw dopodobnego do sta n u bardziej praw do ­ podobnego. Co należy rozum ieć przez praw do­

podobieństw o sta n u łatw o objaśnić w oparciu o już przytoczone p rzykłady. I ta k je s t bardzo m ało praw dopodobne, żeby np. rozgrzany piec u trz y m a ł sw ą w ysoką te m p e ra tu rę bez zm ian dłuższy czas, przeciw nie, uw ażam y jego sty g ­ nięcie za proces zm ierzający do doprow adzenia u k ład u do stan u n ajb ard ziej praw dopodobnego, tj. do sta n u rów ności te m p e ra tu r pieca i oto­

czenia. W ty m u jęciu stygnięcie je st przecho­

dzeniem u k ład u przez szereg stanów o coraz w iększym praw dopodobieństw ie. S tan końcow y je s t stan em rów now agi term iczn ej o p raw d o ­ podo bieństw ie rów ny m jedności, czyli pew ności.

W te n sam sposób z a p atru je m y się n a ro zp u ­ szczenie się k aw ałk a c u k ru w wodzie, na to p ­ n ien ie lodu i p aro w an ie w ody pod w pływ em dostarczonego ciepła, n a d y lata cję sprężonego gazu, n a przebieg w ielu reak cji chem icznych itd. Są to w szystko procesy, podczas któ ry ch u k ła d przechodzi stopniow o od sta n u n ie p ra w ­ dopodobnego do sta n u końcow ego o m ak sy m al­

n y m p raw dopodobieństw ie, czyli pewności.

N ie tru d n o zobaczyć, że sta n y o w iększym p raw dopodobieństw ie realizacji są rów nocze­

śn ie stan am i o w iększym chaosie. W yrażenia

„ s ta n bard ziej p raw dop o dob n y” i „stan m niej u p o rząd k o w an y ” są dw om a nieco in nym i sposo­

b am i w y ra ż en ia te j sam ej m yśli; je d n a k w yż­

szość pierw szego sform u łow ania nad d ru gim po­

lega n a tym , że pojęcie praw dop od ob ieństw a jest od daw n a ściśle określone, tym czasem chaos je s t — ja k dotychczas — pojęciem dość nieo­

k reślo n y m i p o d atn y m na różne in te rp re ta c je.

D la o b lic z e n ia p ra w d o p o d o b ie ń s tw a s t a n u u k ł a ­ d ó w o p r a c o w a ła f iz y k a s p e c ja ln e m e to d y , k tó r e j e d ­ n a k w y m a g a ją z a s to s o w a n ia b a r d z ie j w y r a f i n o w a ­ n y c h ś r o d k ó w m a te m a ty c z n y c h . Z te g o p o w o d u n a ty lk o je d n y m , m o ż liw ie p r o s ty m p rz y k ła d z ie , o b ja ś ­ n im y w j a k i sp o s ó b fiz y k a o b lic z a p ra w d o p o d o b ie ń ­ s tw o s t a n u u k ła d u w c h w ili w y jś c io w e j i k o ń c o w e j.

N ie c h w o b ję to ś c i z a m k n ię te j V (ryc. 2) z n a jd u j e s ię n d r o b in g a z u . D o V w s u w a m y w m y ś li p o p rz e c z n ą p rz e g r o d ę , k tó r a p o d z ie li V n a d w ie części ( p r z e d z ia ­ ły v i i v 2) i p y ta m y się , ja k i e je s t p r a w d o p o d o b ie ń ­ s tw o Po, ż e w s z y s tk ie d r o b in y z n a jd ą s ię w v j.

O k a z u je się , że w y n o s i ono:

(A)

(7)

P o n ie w a ż v i / V j e s t u ła m k ie m m n ie js z y m od je d ­ n o śc i, a n je s t d u że, po je s t b a rd z o m a łą lic z b ą ; o z n a c z a to , że p ra w d o p o d o b ie ń s tw o , ż e b y d ro b in y g a ­ z u p o z o s ta ły s k u p io n e w Vi, cz y li w części o b ję to śc i V je s t m in im a ln e .

v B

R yc. 2. A — s t a n w y jś c io w y , d ro b in y g a z u s k u p io n e w m a łe j o b ję to ś c i v i B — s t a n k o ń c o w y , d ro b in y r o z ­

p ro s z o n e w c a łe j im d o s tę p n e j p r z e s tr z e n i V

%

Z a łó ż m y te r a z , że v j = V ; p y ta m y s ię z a te m , ja k ie je s t p ra w d o p o d o b ie ń s tw o , że d ro b in y w lic z b ie n z a j ­ m ą c a łą im d o s tę p n ą p r z e s tr z e ń . P ra w d o p o d o b ie ń s tw o to o tr z y m a m y z a s tę p u ją c w e w z o rz e (A) V! p rz e z V:

Pk = ( v ) n==,n=1

C o o z n a c z a te n w y n ik ? J e ś li zw a ż y ć , że w p r o b a ­ b ilis ty c e je d n o ś ć o d p o w ia d a p e w n o śc i, to w y n ik te n o z n a c z a p o p r o s tu , że d ro b in y po u s u n ię c iu p rz e g ro d y r o z e jd ą się n a p e w n o p o c a łe j im d o s tę p n e j p r z e s tr z e ­ n i, b io r ą c j ą n ie j a k o w s w e p o s ia d a n ie . J e s t to , ja k w ia d o m o , w y n ik z g o d n y z d o ś w ia d c z e n ie m .

P o r ó w n a jm y ze s o b ą p ra w d o p o d o b ie ń s tw a s t a n u w y jś c io w e g o i k o ń c o w e g o , cz y li u tw ó rz m y s to s u n e k p k /p o ; b ę d z ie m y m ie li:

p k i / v y

Po (V j/ V )» \ v j

P o n ie w a ż V /v j je s t w ię k s z e od je d n o ś c i, s to s u n e k pk /p o b ę d z ie o g ro m n y d la d u ż e g o N. N a p r z y k ła d n ie c h V /v — 4, a n = 1 m ilio n d ro b in (co je s t z n ik o m ą ilo śc ią m a te rii), w te d y :

Pk/Po = 41000000

je s t lic z b ą b a rd z o d u ż ą . W y n ik te n w s k a z u je , ja k w y ­ so ce n ie p r a w d o p o d o b n y m z d a rz e n ie m b y ło b y s k o n ­ c e n tr o w a n ie s ię te g o m ilio n a d ro b in w 1/t t e j o b ję to śc i, k tó r ą f a k ty c z n ie z a jm u ją .

W ynik, do któ reg o doszliśm y, należy oczyw i­

ście uogólnić. O kazuje się, że w procesach sa­

m o rzu tn y ch zaw sze stosunek praw dopodobień- b ień stw sta n u końcowego, p^ do w yjściow ego Po, je s t nie ty lk o w iększy od jedności, ale w y ­ raża się ogrom nym i liczbam i, w ynikającym i stąd, że stan w yjściow y nie jest stan em niem o­

żliw ym , lecz stan em o m inim alnej szansie u trz y m an ia się.

W ynik je s t in te re su ją c y jeszcze z innego po­

wodu. Zm usza on nas do rew izji tezy sfo rm u ­ łow anej poprzednio, w m y śl k tó re j niem ożli­

w ością je s t sam o rzutne zachodzenie procesu w k ie ru n k u odw ro tn y m do tego, w jakim p rze­

biega on sam z siebie, czyli ze sta n u m niej praw dopodobnego do sta n u o w iększym p raw ­ dopodobieństw ie. Tym czasem okazuje się, że przejście u k ład u ze sta n u bard ziej do stan u m n iej praw dopodobnego, nie je s t niem ożliwe, ale jed y n ie w najw y ższym sto p niu n iep raw d o ­ podobne. J e s t to stanow isko, k tó re obecnie zaj­

m u je fizyka.

Praw dopodobieństw o sta n u je s t pojęciem o bardzo szerokim zastosow aniu, nie ty lko do zjaw isk fizycznych i chem icznych, ale n aw et biologicznych. Jego uniw ersalność nasuw a m yśl, żeby zidentyfikow ać stosunek r = Pk/Po z k ry teriu m , o k tó ry m b y ła w yżej m ow a, a roz­

strzygającym w k ie ru n k u sam orzutnego p rze­

biegu procesów fizycznych i chem icznych. P ro ­ ces przebiegałby sam orzutnie w ty m k ieru nk u, dla którego r byłoby w iększe od jedności.

F izyka nie w yk o rzy stała tej możliwości, poniew aż prow adziłoby to do dw u różnych de­

fin icji entropii, a to z p u n k tu w idzen ia ekono­

m ii nau k i i logiki byłoby niepożądane. Pierw szą d efin icję entro pii, zw aną klasyczną lub fen o­

m enologiczną, określa zn an y już nam wzór:

A S = Q /T (B)

a dru g ą p rzed staw iałb y w zór:

r = Pk/Po (C)

w razie to lero w an ia dw u definicji entropii.

Było drugim w ielkim osiągnięciem B oltzm an- na w ykazanie, że m ożna w zór (C) ta k p rze­

kształcić, żeby otrzym ać w zór n a en tro p ię jed ­ noznaczny z definicją klasyczną. W ykazał on, że w ystarczy w ty m celu w ziąć log arytm sto­

sun k u pt/po i pom nożyć go przez pew ną stałą wielkość; a zatem :

A S = k lo gn at (pf/p 0) (D) S łyn ny te n w zór je s t obecnie coraz częściej z n any pod nazw ą w zoru P lancka-B oltzm anna z uw agi n a bardziej now oczesną jego in te rp re ­ tację podaną przez Plancka. We wzorze (D) lo­

g a ry tm je s t tzw . logarytm em n atu raln y m , nieco różnym od pow szechnie znanych lo g aryt- m ów zw yczajnych; k je s t pew ną stałą (tzw. sta ­ łą Boltzm anna), k tó rej w artość zależy od jed ­ nostek, w jak ich w y raża się entropię.

T rzeba podkreślić, że przekształcenie, któ re prow adzi do w zoru (D) nie zm ienia jego pro ­ babilistycznego, tj. opartego na praw dopodo­

bieństw ie, ch ara k te ru . M ożem y zatem , z uw agi n a zw iązek m iędzy praw dopodobieństw em stan u a chaosem tw ierdzić, że en tro p ia w ujęciu B oltz­

m an n a i P lanck a je s t pew ną, dostosow aną do po­

trzeb fizyki, m ia rą chaosu panującego w rozpa­

try w an y m układzie, p rzy czym p rzy ro st entropii oznacza zw iększenie się chaosu. W ty m ujęciu e n tro p ia p rzestaje być pojęciem oderw anym , a sta je się w ielkością, z k tó rą stale się spoty k a­

m y w życiu. C odziennie bow iem jesteśm y św iadkam i rozpraszania się energii w form ie ciepła i rozpraszania się m aterii, codziennie za­

tem obserw u jem y p rzy ro st chaosu czy entropii w naszym otoczeniu.

W zory (B) i (D) um ożliw iają jed y n ie oblicze­

nie p rzy ro stu en tro p ii zachodzącego podczas przejścia u k ład u z jednego sta n u do innego. Na p rzy kład za pom ocą w zoru (B) obliczyliśm y o ile p rzy ra sta en tro p ia podczas przejścia w stan ciekły 1 m ola lodu, a n astęp n ie 1 m ola w ody w sta n p ary . Czy m ożna na tej podstaw ie m ów ić o en tro p ii lodu, i p a ry w odnej, lu b ogól­

n iej o en tro p ii su b stan cji w stanie stałym , ciekłym i gazow ym ? O dpow iedź n a to p y tan ie je s t oczywiście tw ierdząca. N a przykładzie

113

(8)

114

w ody i p a ry w odnej w ykazaliśm y, że chaos cie­

czy je s t u m iark o w any, a chaos gazów b ardzo duży. S tą d w ynika, że e n tro p ie cieczy b ędą m iały w arto ści średnie, a e n tro p ie gazów w y ­ sokie. O kazuje się d alej, m oże w b re w ocze­

kiw aniu, że su b stan cje stałe rów n ież w y k a z u ją pew ien n ieznaczny chaos; z tego pow odu ich en tro p ie m ają w artości nieznaczne, ale ró żn e od zera. N a p y ta n ie dotyczące m etod, k tó ry m i rozporządza w spółczesna fizy k a dla oznaczenia e n tro p ii p ierw iastk ó w i zw iązków w sta n ie s ta ­ łym , p ły n n y m lu b gazow ym odpow iedzi u stalić nie m ożem y, poniew aż przek ro czy ło by to znacz­

nie ra m y tego a rty k u łu .

O graniczym y się do uw agi, że e n tro p ia zależy od rozm iaró w uk ładu , a p o n ad to od w a ru n k ó w w jak ic h z n a jd u je się układ, czyli od ty c h w ie l­

kości, k tó re n azw aliśm y poprzed nio p a ra m e tra ­ m i stan u , ja k te m p e ra tu ra , ciśnienie, objętość itd. N ato m iast e n tro p ia u k ład u n ie zależy od jego po p rzed n ich losów; układ, ja k w ogóle m a ­ te ria nieożyw iona, je s t pozbaw iony pam ięci i z tego pow odu jego w łasności, a zatem i e n ­ tro p ia są w yłącznie określone przez a k tu a ln e w artości p a ra m e tró w stan u . Tę w łasno ść w y ra ż a fizyka w bardziej o d erw an y sposób, tw ierdząc, że e n tro p ia je s t fu n k cją stan u, czyli w ielkością ok reślo n ą jed y n ie przez stan, w jak im u k ład się znajdu je.

P rzed m io tem naszej uw agi b y ły dotychczas n iem al w yłącznie procesy sam o rzu tn e, p rze b ie ­ gające z p rzy ro ste m e n tro p ii (w u kład zie + oto­

czenie). Z aznaczyliśm y jed n a k w yżej, że m ożli­

w e je s t przep ro w ad zen ie p rocesu w k ie ru n k u o d w ro tn y m do spontanicznego, pod w a ru n k ie m zastosow ania odpow iednich urządzeń, a p rzed e w szystkim w y d a tk o w a n ia en erg ii, k tó re j ilość je s t p ro p o rcjo n aln a do ro zm iaró w p rocesu od­

w rotnego. P y ta n ie , k tó re się tu n asuw a, dotyczy zm iany e n tro p ii tego procesu, zw anego czasam i procesem w ym uszonym . P on iew aż proces sp o n­

tan ic zn y p rzeb iega zawsze z p rzy ro ste m e n tro ­ pii, to proces w ym u szon y p o w in ien przebiegać z p rzy ro ste m u jem n y m , czyli ze zm niejszen iem się en tro p ii. Tym czasem o kazuje się, że sto su n ­ ki są bard ziej złożone. Z jed n e j stro n y w u k ła ­ dzie rozszerzonym o najb liższe otoczenie zacho­

dzi isto tn ie u jem n a zm ian a e n tro p ii, ale z d ru ­ giej stro n y niedopuszczalne je s t pom inięcie zm iany en tro p ii, do k tó re j dochodzi n a s k u te k w y d a tk o w a n ia energii, a ju ż w iem y , że tego ro­

d z a ju p rocesy są sam o rzu tn e, czyli sprzężone z p ro d u k cją en tro p ii. O kazuje się, że d o d a tn ia zm iana entro pii, tow arzy sząca w y d a tk o w a n iu en erg ii dla rea liz a c ji p rocesu w ym uszonego, zaw sze p rzek racza (bezw zględną) w a rto ść zm ia­

n y e n tro p ii u kład u. W sum ie z atem zm ian a e n ­ tro p ii je st d odatnia. J e s t to w y n ik , k tó ry m oż­

n a sform ułow ać nieco inaczej, m ianow icie, że za zw iększenie porząd k u n a p e w n y m odcinku trz e b a zapłacić znacznym zw ięk szen iem niepo­

rzą d k u n a odcinkach sąsiednich.

W ynik te n je s t interesu jący , dowodzi b o ­ w iem , że w szystkie procesy fizyczne i chem icz­

n e zachodzące w naszym otoczeniu, zarów no spontaniczne, ja k w ym uszone, są zawsze skoja­

rzo n e z p rzy ro stem entropii, pod w arun kiem je d n a k u w zględnienia w szystkich zm ian za­

chodzących w układzie i otoczeniu. O znaczając z atem przez ASUkł i ASot zm iany e n tro p ii u k ła ­ du i otoczenia zachodzące podczas przem iany A— B będziem y zawsze m ieli:

A S ukł + A S ot > 0.

N ierów ność ta w y raża w skondensow anej fo r­

m ie dru g ą zasadę term o dyn am iki, czyli zasadę p rz y ro stu e n tro p ii (albo chaosu) tow arzyszącego w szy stk im rzeczyw iście, czyli n ieodw racalnie zachodzącym procesom fizycznym i chem icz­

n y m . J e s t to ja k w idzim y zasada o u n iw e rsa l­

n y m znaczeniu. W artość A S je s t pew n ą m iarą nieodw racalności procesu. Im je s t ona wyższa, ty m bardziej n ieo dw racaln y je s t proces, tym w iększy je s t chaos, k tó ry on pozostaw ia po sobie w układzie i otoczeniu. N atom iast A S = 0 dla pro ­ cesów odw racalnych, k tó re jed n a k są nieosią­

g a ln ą gran icą procesów rzeczyw istych. W reszcie nig d y nie m oże być AS ujem n e, poniew aż ozna­

czałoby to m ożliw ość up orządkow ania pew nego chaotycznego u k ład u zupełnie za darm o.

O becnie pojęcie e n tro p ii w ykroczyło poza g ranice term od yn am ik i, m iędzy in n y m i weszło do biologii. J u ż daw no zadano sobie pytanie, czy rozw ój żyw ego organizm u, n a k tó ry m ożna się z ap atry w ać jako n a bardzo złożony proces fizyko-chem iczny, odbyw a się zgodnie z dru gą zasadą. N ie b rak ło głosów, że z uw agi na b a r­

dzo złożoną i uporząd kow an ą s tru k tu rę ży­

w ego organizm u nie je s t w ykluczone, że to w a­

rzysząca rozw ojow i globalna zm iana en tro p ii (tj. u k ład u czyli organizm u + otoczenie) je st u jem n a : AS < 0. W szystko je d n a k w skazuje na to, że rozw ój organizm u nie w y ła m u je się spod zasadniczych p raw term odynam icznych.

E n tro p ia w kro czyła rów nież do filozofii p rzy ­ rody , zw łaszcza do kosm ogonii. J u ż Clausius w ypow ied ział tezę, że en erg ia W szechśw iata je s t w ielkością stałą, a e n tro p ia W szechśw iata sta le ro śn ie i zdąża do m ak sym aln ej w artości.

T eza ta od la t je st przedm io tem dyskusji, za­

strzeżeń i spekulacji.

W reszcie o statn io n ow a a bardzo am b itna dy scy p lin a — m am y n a m yśli teo rię in fo rm a­

cji — w p ro w ad ziła te rm in e n tro p ia do swej term inologii. M ożna by n a w e t zaryzykow ać tezę, że te o ria in fo rm acji dokonała p róby r a ­ b u n k u n a term o dyn am ice w celu przyw łaszcze­

n ia sobie en tro pii. W u jęc iu tej dyscypliny en ­ tro p ia je s t bardzo szerokim pojęciem , w o brę­

bie któ reg o m ieści się e n tro p ia term ody n am icz­

n a jako znacznie w ęższe pojęcie. Czy rab u n e k te n u d a się, to znaczy^ czy rozszerzone pojęcie e n tro p ii będzie k o rzy stn e dla rozw oju nauk.

okaże przyszłość.

(9)
(10)

I l b . F R A G M E N T R E Z E R W A T U g e o lo g ic z n o -f lo ry s ty c z n e g o n a O s tr z y c y k o ło P ro b o s z c z o w a , p o w . Z ło to ry ja .

\A7i H r»r»7 r» o c o f f n ł n h r \ r 7 a h a 7 a 1 ł m x ; p A R A r l / A i i r c l r i

(11)

115

K A Z IM IE R A G R O M Y S Z -K A Ł K O W S K A (L u b lin )

REAKCJE GĄSIENIC KOSZÓW EK PSYCHE YICIELLA SCHIFF.

W OBRONIE DOMKÓW

R yc. 2. F o to ta k ty z m d o d a tn i g ą s ie n ic P s y c h e v ic ie l- la S c h iff. w p r z y p a d k u u w ią z a n ia k o sz a . A — p u n k t

z a c z e p ie n ia n itk i, B — k ie r u n e k o ś w ie tle n ia m y c h ź d ź b ła c h tr a w . N ie je s t to je d n a k p o z y c ja c ia ­ ła n a b y ta w ż y c iu o so b n ic z y m , z w ie rz ą b o w ie m p r z y ­ n o s i te n m e c h a n iz m b e h a w io r a ln y w g o to w e j p o s ta c i n a ś w ia t. M ło d e g ą s ie n ic z k i, m ie rz ą c e z a le d w ie 1,5 m m , b e z p o ś r e d n io p o o p u sz c z e n iu o sło n ja jo w y c h m a s z e r u ją z o d w ło k ie m u n ie s io n y m do g ó ry . R u c h te n z a te m w y p rz e d z a d ź w ig a n ie d o m k u , do b u d o w y k tó r e g o la r w a z a b ie rz e s ię d o p ie ro z a p a r ę m in u t.

N ie m n ie j je d n a k s ta łe p rz e b y w a n ie w k o s z u o d b ija s ię n a z a c h o w a n iu z w ie rz ą t. O ty m św ia d c z y c o ra z to w ię ­ k sz a tr u d n o ś ć , n a k tó r ą n a p o ty k a e k s p e r y m e n ta to r , g d y u s iłu je u s u n ą ć g ą s ie n ic ę z d o m k u . O ile z w ie rz ę w p ie r w s z y c h d n ia c h ż y c ia s to s u n k o w o ła tw o d a je się w y p c h n ą ć z k o sza, w y s ta r c z y w ty m c e lu le k k o p a lc a m i śc is n ą ć ty ł d o m k u , to la r w y s ta rs z e , k il k u ­ d n io w e , n ie r e a g u j ą n a te n z a b ie g i tr z e b a d o p ie ro p o s łu ż y ć s ię p a łe c z k ą w s u n ię t ą w ty l n y o tw ó r d o m ­ k u , b y z w ie rz ę o p u śc iło k o sz ; n ie m a l je d n a k n ie m o ­ ż liw o ś c ią s t a je się u s u n ię c ie z w ie rz ę c ia z d o m k u , w k tó r y m p rz e z im o w a ło . O s o b n ik i w ty m w ie k u , a ta k o w a n e od ty ł u k o sz a , b r o n i ą się p rz e d w y p c h ­ n ię c ie m s iln y m i s k u r c z a m i c ia ła , a je ż e li e k s p e r y ­ m e n t a to r n ie u s t ę p u je i u p o rc z y w ie u s u w a je z d o m ­ k u , w y k o n u ją g w a łto w n e r u c h y w a h a d ło w e c a ły m cia łe m , w y d z ie la ją c p r z y ty m b a rd z o c zęsto z ja m y g ę b o w e j p ły n o z a b a r w ie n iu z ie lo n k a w o -b rą z o w y m i s iln ie p r z y tr z y m u ją c s ię o d n ó ż a m i a n a ln y m i w e w ­ n ę tr z n e j s t r o n y k o łn ie r z y k a p rz e d n ie g o . N ie je s t w y ­ k lu c z o n e , że t e o b ro n n e f o r m y b e h a w io r u w y m a g a ­ ją p e w n e j d o jr z a ło ś c i n e rw o w o - m ię ś n io w e j z w ie rz ę ­ c ia i d la te g o z ja w ia ją s ię d o p ie ro w p ó ź n ie js z y c h s ta d ia c h ro z w o jo w y c h , z a te m w n io s e k o u w a r u n k o - L a r w y k o sz ó w e k P s y c h e v ic ie lla S c h iff. ro z p o c z y ­

n a j ą s w o ją d z ia ła ln o ś ć ż y c io w ą od z b u d o w a n ia d o m k u , p rz y p o m in a ją c e g o w y g lą d e m k o sz (ry c. 1). B u d o w ę je g o p r o w a d z ą p rz e z w s z y s tk ie s t a d ia ro z w o jo w e . J a k ju ż o p is a n o p o p rz e d n io *, d o m k i t e w y r ó ż n ia ją się sp o ś ró d in n y c h te g o r o d z a j u tw o ró w , b u d o w a n y c h p rz e z o w a d y , n ie z m ie r n ie z a w iłą s t r u k tu r ą , a p rz y ic h b u d o w ie la r w y u ja w n i a j ą c a łe b o g a c tw o z a s k a k u ją ­ cy c h m e c h a n iz m ó w k o n s tr u k to r s k ic h , w id o c z n y c h sz c z e g ó ln ie p rz y w b u d o w y w a n iu p a ty k ó w o k ry w o ­ w y c h . N ie m a l c a ły b e h a w io r ty c h in te r e s u ją c y c h z w ie ­ r z ą t w ią ż e s ię z p o s ia d a n ie m k o s z a i je ż e li n a w e t n ie o d n o si s ię b e z p o ś r e d n io d o jeg o k o n s t r u k c ji , to d e ­ te r m in o w a n y je s t c ią g łą je g o o b e c n o śc ią . L a r w y w e w s z y s tk ic h o k o lic z n o ś c ia c h sw eg o ż y c ia d ą ż ą do p o ­ s ia d a n ia d o m k u i b r o n ią s ię ze w s z y s tk ic h s ił p rz e d jeg o u tr a t ą .

R yc. 1. K o sz g ą s ie n ic P s y c h e v ic ie lla S c h iff. 1 — p rz e d n i k o łn ie rz y k , 2 — tr z o n k o sz a , 3 — ty ln y

k o łn ie rz y k

B e h a w io r a ln e p o w ią z a n ia g ą s ie n ic z k o sz e m w i­

d o czn e s ą ju ż w p o z y c ji c ia ła ty c h z w ie rz ą t: la r w y p o z b a w io n e d o m k u m a j ą o d w ło k n ie m a l p r o s to p a ­ d le u n ie s io n y do g ó ry . T rz e b a p rz y p u s z c z a ć , że w o b rę b ie k o s z a t r z y m a j ą go ró w n ie ż w t e n sp o só b . T y lk o t a k a p o z y c ja c ia ła m o że z a b e z p ie c z y ć z w ie ­ rz ę p rz e d z g u b ie n ie m d o m k u w p r z y p a d k u , g d y b y z a c z e p iło n im o c h r o p o w a te p o d ło ż e , w z g lę d n ie , gd y n a r a ż o n y o n je s t n a z e śliz g n ię c ie s ię z g ła d k ic h p o ­ w ło k c ia ła w c z a sie w s p in a n i a s ię g ą s ie n ic p o s t r o -

* ) K. G i r o m y s z - K a ł k o w s k a : J a k g ąsien ice ko­

szów ek P sych e v iciella Schiff. b u d u ją dom ki? — W szech­

św ia t, 1963, z. 9, s tr. 205—210.

(12)

116

w a n iu ic h n o s z e n ie m p rz e z d łu ż s z y c zas k o s z a b y ł ­ b y n ie s łu s z n y . W je d n y m ty lk o p r z y p a d k u w y d a je s ię is tn ie ć n ie z a p r z e c z a ln y w p ły w in d y w id u a l n y c h d o ­ św ia d c z e ń g ą s ie n ic . O ile z w ie r z ę ta m ło d e , z p ie r w ­ szeg o r o k u k a le n d a rz o w e g o , p o o d e b r a n iu im k o s z a c h o d z ą d o ść s w o b o d n ie , to o so b n ik i s ta r s z e s t a j ą się c a łk o w ic ie b e z r a d n e , n ie p o tr a f ią u tr z y m a ć n o r m a l ­ n e j p o s ta w y c ia ła i k o n s e k w e n tn ie p rz e z ja k i ś czas s ą n ie z d o ln e do m a r s z u .

N ie m n ie j in te r e s u ją c o p r z e d s ta w ia s ię c z y n n a o b ­ r o n a , d o m k ó w . S p r a w y te p rz e ś le d z o n o e k s p e r y m e n ­ ta ln ie . U s iło w a n o la r w ie s tw o r z y ć t a k i e w a r u n k i, b y n a jł a tw ie j s z y m w y jś c ie m z s y t u a c ji b y ło d o b ro w o ln e p o rz u c e n ie p rz e z n ią d o m k u . D o ś w ia d c z e n ia te ze w z g lę d ó w te c h n ic z n y c h m o ż n a b y ło w y k o n a ć j e d y ­ n ie n a z w ie r z ę ta c h s ta r s z y c h (w ię k sz y c h ). W je d n e j s e r ii d o ś w ia d c z e ń o b w ią z y w a n o d o m e k m o c n ą n it k ą m n ie j w ię c e j w p o ło w ie je g o d łu g o ś c i, a d r u g i je j k o n ie c u m o c o w a n o n a g w o ź d z ik u w b ity m w p o d ło ­ że. Z w ie rz ę m o g ło s w o b o d n ie p o ru s z a ć się w p r o m ie ­ n iu 8 cm . W p ie r w s z e j c h w ili po n a p o t k a n i u o p o ru z w ie rz ę u s iło w a ło p r z e r w a ć n it k ę p o d c ią g a n ie m d o m ­ k u d o p rz o d u , z m ie n ia ją c r a z po r a z k i e r u n e k a ta k u , W s to s u n k o w o je d n a k k r ó t k im c z a sie d ą ż y ło o no w s t r o n ę n a js iln ie js z e g o n a tę ż e n ia ś w ia t ła , t j . b e z p o ­ ś r e d n io k u o k n u p r a c o w n i i o d tą d ty l k o w ty m k i e ­ r u n k u u s iło w a ło p o s u w a ć s ię n a p r z ó d (ryc. 2). P o b e z s k u te c z n y c h p ró b a c h w y r w a n i a k o s z a , g ą s ie n ic a w y s u w a ła p rz ó d c ia ła p o z a o b rę b d o m k u b ą d ź to p o p r z e z k o łn ie r z y k p r z e d n i, b ą d ź to p r z e z k o łn ie r z y k

R y c. 3. G ą s ie n ic a lo k a liz u je m ie js c e p r z e s z k o d y i w y ­ c h y la s ię c e le m je j u s u n ię c ia

ty ln y , b a d a ją c s y tu a c ję . W re s z c ie p o g łę b o k im w y ­ c h y le n iu s ię z k o s z a w k i e r u n k u p ę t l i n a d o m k u , p o d k ła d a ł a g ło w ę p o d n itk ę , tu ż p r z y p ę t l i p r z y t r z y ­ m u j ą c e j d o m e k i p o w o ln y m i r u c h a m i sz c z ę k p r z e ­ c in a ła ją , p o d o b n ie ja k to cz y n i, g d y o d c in a m a t e r i a ł p r z e z n a c z o n y n a p o k r y c ie d o m k u (ry c . 3). Z c h w ilą u w o ln ie n ia d o m k u l a r w a o d c h o d z iła w p r z y p a d k o ­ w y m k ie r u n k u .

P r z e c i n a n ie n it k i n ie b y ło je d n a k o w o ż je d y n ą f o r ­ m ą u w o ln ie n ia d o m k u . C z ę ść g ą s ie n ic w t e j s y t u a c ji p r z e g r y z a ła d o m e k n a p ó ł, w z d łu ż o b e jm u ją c e j go

p ę t l i i u z y s k iw a ła z s u n ię c ie s ię p ę tl i z jeg o o b w o d u (ry c. 4). C z ę śc ią m ie s z k a ln ą s t a w a ł a się w ó w c z a s p r z e d n i a część d o m k u (ryc. 5). C zęść z w ie r z ą t p o ­ s tą p i ł a b a r d z ie j e k o n o m ic z n ie , a lb o w ie m p o z s u n ię ­ c iu s ię p ę tl i z d o m k u z łą c z y ła n it k a m i p rz ę d z y z p o w ro te m o b ie ro z d z ie lo n e części k o s z a w je d n ą c a ło ś ć . N ie w s z y s tk ie je d n a k z w ie rz ę ta p o d d a n e te g o r o d z a j u e k s p e r y m e n to m ro z w ią z y w a ły w te n sp o só b z a d a n ie . D u ż y w p ły w p o s ia d a ł n a to w ie k g ą s ie n ic : l a r w y m ło d s z e u w a ln ia ły d o m e k je d y n ie w około 70°/o, s ta r s z e n a to m ia s t o s o b n ik i w o k o ło 90% . O ile w s z y s tk ie z w ie r z ę ta n ie z a le ż n ie od w ie k u u s iło w a ły b e z p o ś r e d n io s f o rs o w a ć p rz e s z k o d ę z e r w a n ie m n itk i, to p r z e c in a n ie d o m k u n a p o ło w y z d a rz y ło s ię w y ­ łą c z n ie u m ło d s z y c h i to s to s u n k o w o w n ie d u ż y m p ro c e n c ie . T e j f o r m y z a c h o w a n ia s ię n ie u d a ło się

R y c . 4. D o m e k g ą s ie n ic k o s z ó w e k P s y c h e v ic ie lla S c h iff. p r z e c ię ty w z d łu ż p rz e b ie g u o b e jm u ją c e j go p ę ­ tli. 1 — p r z e d n ia część k o sza, 2 — ty l n a część k o sz a

R y c. 5. Z a m ie s z k a ła część p r z e d n ia k o s z a p o u w o l­

n ie n i u d o m k u p rz e z g ą s ie n ic ę z p r z y tr z y m u ją c e j p ę ­ tli, l u b p o o d r z u c e n iu ty łu d o m k u z tk w ią c ą w n ie j p rz e s z k o d ą . 1 — z r e k o n s tr u o w a n y k o łn ie r z y k ty ln y

z p rz ę d z y , 2 — o tw ó r t y l n y o b e c n e g o d o m k u

w y z w o lić u o s o b n ik ó w s ta r s z y c h , n a w e t w w a r u n ­ k a c h , g d y n ie o d z y s k u ją c s w o b o d y r u c h ó w , m u s ia ły g in ą ć z g ło d u w d o m k u . P r z e k o n a n o s ię o ty m o b w ią ­ z u ją c d o m k i d r u c ik ie m , z a m ia s t n it k ą . D ro g ą o c a le ­ n ia ż y c ia w ty m p r z y p a d k u b y ło o p u sz c z e n ie d o m k u , a lb o p r z e c ię c ie go n a p ó ł; z w ie r z ę ta m im o w ie lo k r o t­

n ie p o n a w ia n y c h b e z s k u te c z n y c h p r ó b p r z e g r y z ie n i a

Cytaty

Powiązane dokumenty

Więcej kompetencji przenieść z urzędów na NGOsy, decyzje oddać w ręce wspólnych rad/komisji z udziałem NGOsów i urzędników.. Jawność kryteriów i wystawianych ocen wniosków

dotarł jednak tylko do 71°30' południowej szerokości, lecz zbliżył się do południowego bieguna m agnetycznego tak bardzo, że igła m agnetyczna, umieszczona w

Dotacja celowa na realizację zadania inwestycyjnego &#34;Cyfryzacja Sali kinowej Kina &#34;Mewa&#34; w Budzyniu. Dotacja celowa na realizację zadania inwestycyjnego

Post wigilijny jest zwyczajem dość powszechnie przestrzeganym, mimo że w wielu wyznaniach chrześcijańskich nie jest nakazany.. Biskupi łacińscy zachęcają do zachowania tego

Konwencja poświęca dużo uwagi kobietom, ponieważ obejmuje formy przemocy, których doświadczają jedynie kobiety!. (przymusowa aborcja, okaleczenie

warszawski zachodni, legionowski, pruszkowski, nowodworski, grodziski, miński, wołomiński, piaseczyński i otwocki) nie będą objęte możliwością skorzystania z regionalnej

Organ procesowy jest obowi zany przeprowadzić z urzędu dopuszczalny, dostępny i daj cy się przeprowadzić dowód niezbędny do wyja nienia okoliczno ci sprawy 17.. W wyj

2) projekty realizowane z udziałem środków unijnych w ramach Programu Operacyjnego Polska Cyfrowa (POPC), w tym POPC.001 - projekt „Utworzenie Krajowego