По същия начин, в първия принцип на термодинамиката, функцията на държавата е въведена - вътрешна енергия, във втория принцип - функцията на държавата, наречена ентропия (от гръцки език) еНОПИЯ. - Обратно, трансформация). Разглеждането на промяната на тази функция доведе до разделяне на всички процеси в две групи: обратими и необратими (спонтанни) процеси.

Процесът се нарича обратимАко това може да се извърши първо в директно, и след това в обратна посока, и така, че нито системата, нито в околната среда няма да има промяна. Напълно обратим процес - абстракцияНо много процеси могат да бъдат проведени в такива условия, че тяхното отклонение от обратимост е много малко. За това, нуждите на МО, във всеки един от неговите безкрайно малки етапи, състоянието на системата, в която този процес възникне, ще реагира на състоянието на равновесие.

Равновесно състояние - специално състояние на термодинамичната система, в която преминава в резултат на обратими или необратими процеси и може да остане в нея за неопределено време. Реалните процеси могат да достигнат обратими, но за това те трябва да са бавни.

Процесът се нарича необратим (естествен, спонтанен, спонтанен)Ако е придружено от разсейването на енергия, т.е., равномерното разпределение между всички тела на системата в резултат на процеса на пренос на топлина.

Като примери за необратими процеси, може да се нарече следното:

замръзване на свръхколадска течност;

разширяване на газ във вакуумното пространство;

дифузия в газовата фаза или в течност.

Системата, в която възникна необратим процес, може да бъде върнат в първоначалното му състояние, но за това над системата трябва да работите.

Най-реалните процеси включват необратими процеси, тъй като те винаги са придружени от работа срещу сили на триене, което води до безполезна консумация на енергия, придружена от разпръскване на енергия.

За да илюстрирате концепциите, помислете за идеалния газ, разположен в цилиндъра под буталото. Оставете първоначалното налягане на газа Р1 под неговия обем V1 (фиг. 4.1).

Газовото налягане е балансирано от буталото на пясъка. Комбинацията от равновесни състояния е описана от EquationPv \u003d Const и е графично изобразена с гладка крива (1).

Ако премахнете определено количество пясък от буталото, тогава налягането на газа над буталото ще намалее рязко (от А до Б) само след което ще има увеличение на обема на газа до равновесна стойност (от b до C ). Характерът на този процес е счупена линия 2. Тази линия характеризира зависимостта p \u003d е. V) с необратим процес.

Фиг. 4.1. Зависимостта на налягането на газа върху обема си по време на обратимите (1) и необратими процеси (2, 3).

От фигурата е ясно, че когато разширяването на газ е обратимо, извършената от тях работа (площ под гладка крива 1) е по-голяма, отколкото при всяка необратима експанзия.

Така, всеки термодинамичен процес се характеризира с максимален възможен размер на работата, ако се извършва в реверсивния режим. Можете да стигнете до подобен резултат, ако разгледате процеса на компресия на газ. Трябва само да се има предвид, че в този случай количеството работа е отрицателна стойност (фиг. 4.1, счупена 3).

Описание

Отдавна е забелязано, че в една и съща река е невъзможно да се въведат два пъти. Светът около нас се променя, нашето общество се променя и ние сами, членове на обществото, само с по-възрастни. Промените са необратими.
Необратими процеси - физически процеси, които могат спонтанно да продължат само в една посока - към равномерното разпределение на веществото, топлината и др.; Характеризиращ се с положителното производство на ентропия. В затворени системи необратимите процеси водят до увеличаване на ентропията.

Работата се състои от 1 файл

Физика резюме

на темата: "необратимост на процесите в природата"

Направих работата

Игор Рубцов

Въведение

Отдавна е забелязано, че в една и съща река е невъзможно да се въведат два пъти. Светът около нас се променя, нашето общество се променя и ние сами, членове на обществото, само с по-възрастни. Промените са необратими.

Необратими процеси - физически процеси, които могат спонтанно да продължат само в една посока - към равномерното разпределение на веществото, топлината и др.; Характеризиращ се с положителното производство на ентропия. В затворени системи необратимите процеси водят до увеличаване на ентропията.

Класическа термодинамика, която изучава равновесието, обратимите процеси, установява неравенства, които показват възможната посока на необратими процеси.

Необратимите процеси се изследват чрез термодинамика на неприятелските процеси и статистическата теория на не-равновесни процеси. Термодинамиката на необратимите процеси дава възможност да се намери за различни необратими процеси производството на ентропия в системата в зависимост от параметрите на нежелан състоянието, както и да се получат уравнения, описващи промените във времето на тези параметри.

Необратими процеси

Разумните процеси включват: дифузия, топлопроводимост, термична дифузия, вискозен поток, газ разширение в празнота и др.

Дифузия (от лат. Дифузио - разпространение, разпръскване, дисперсия), движението на средните частици, водещи до прехвърляне на веществото и подравняване на концентрациите или за установяване на равновесното разпределение на концентрациите на частиците на този сорт в средата. При липса на макроскопско движение на средата (например, конвекция) дифузия на молекули (атома) се определя чрез термичното им движение (молекулярна дифузия). В нехомогенна система (газ, течност) с молекулна дифузия при липса на външни влияния, дифузионният поток (поток от маса) е пропорционален на градиента на неговата концентрация. Коефициентът на пропорционалност се нарича коефициент на дифузия. Във физиката, в допълнение към разпространението на молекулите (атоми), ние разглеждаме дифузията на проводими електрони, дупки, неутрони и други частици.

Топлинна проводимост, трансфер на енергия от по-нагряти части на тялото до по-малко нагрята в резултат на термично движение и взаимодействието на компонентите на частиците. Води до подравняване на телесната температура. Обикновено количеството на преносимата енергия, определено като плътността на топлинния поток, е пропорционален на температурния градиент (закон на Фурие). Коефициентът на пропорционалност се нарича коефициент на топлопроводимост.

Термодифузия (термична или топлинна дифузия), дифузия, дължаща се на присъствието на градиент на температура в среда (разтвор, смес). При термична дифузия концентрацията на компонентите в зоните с ниски и повишени температури е различна. Термичната дифузия в решенията също се нарича ефект на възпаление с името на швейцарския учен sh. Възпалено (ch. Soret, 1879).

Неаравнициални процеси, физически процеси, в които системата преминава през неприятелските страни. Не-равновесни процеси са необратими.

Термодинамика на не-равновесни процеси, част от физиката, която изучава не-равновесни процеси (дифузия, вискозитет, термоелектрически явления и др.) Въз основа на общите закони на термодинамиката. Да се \u200b\u200bопределят количествено несъответствия, по-специално определянето на техните скорости, в зависимост от външните условия, са съставени уравненията на баланса на масата, импулса, енергия, както и ентропията за елементарни обеми на системата, и тези уравнения се изследват съвместно с уравненията на разглежданите процеси. Термодинамика на не-равновесни процеси - теоретична фондация Проучвания на отворени системи, включително живи същества.

Отворени системи, системи, които могат да обменят с околната среда (както и енергия и импулс). Отворените системи включват, например, химическата и биологичната система (включително живите организми), в които непрекъснато текат химична реакция Поради входящите ястия, и реакционните продукти се освобождават. Отворените системи могат да бъдат в стационарни държави далеч от равновесни състояния.

Несъветстващи системи

В абсолютно равновесни системи, ентропията достига възможно най-високото количество с определен брой елементи. Елементи с Ео Макс. Те действат неограничени "свободно", независимо от влиянието на други елементи. Няма ред в системата всяка подреденост.

Очевидно абсолютният хаос в системите не съществува. Всички съществуващи системи действително имат по-малък или по-забележим ред в структурата и съответната ONG. Колкото повече системата има подредена в структурата, толкова повече се отстранява от равновесното състояние. От друга страна, не-равновесни системи се движат към термодинамично равновесие, т.е. Увеличете OE. Ако те не получават допълнителна енергия или ONG, те не могат да спасят неработещото си състояние за дълго време. Но равновесието може да бъде динамично, където процесите текат на равни обем в противоположните страни. Равновесието се запазва външно, т.е. Стабилност на системата. Ако скоростта на такива процеси се промени малко, такива режими са неподвижни, т.е. относително стабилна във времето. Скоростта на процесите може да се промени в много широки граници. Ако скоростта на процесите е много малка, системата може да бъде в местното квази-равновесие, т.е. Очевидно равновесие. Неаравибриумът на системите играе значителна роля в инфобама. Колкото повече не-равновесие, толкова повече тяхната чувствителност и способност за получаване на информация и по-голяма възможността за самостоятелна система.

Увеличаване на ентропията в затворени системи

Първоначално е въвел ентропията, за да се обясни моделите на работа на топлинната машина. В тесния смисъл ентропията характеризира равновесното състояние на затворена система голям номер Частици.

В обичайното разбиране равновесието в системата означава просто хаос. За дадено лице максималната ентропия е унищожение. Всяко унищожаване увеличава ентропията.

Ентропията на затворената система е необратима. Но в естеството на напълно затворени системи не съществуват. И за открито несъответствие системи с точна идентификация на ентропията, тя все още не е известна. Невъзможно е да се измери ентропията. От строги физически закони не се показва. Ентропията се въвежда в термодинамиката, за да се характеризират необратимостта на процесите, настъпили в газове.

Много учени не разглеждат феноменологичните закони на термодинамиката по законите на природата и ги считат за специален случай при работа с газ, използвайки топлинна машина. Следователно не се препоръчва разширена интерпретация на ентропията във физиката.

От друга страна, необратимостта на производството на физически процеси и самият ни живот е факт. С тази позиция използването на концепцията за ентропия в нефизически дисциплини е напълно оправдано за характеристиките на състоянието на системата. Всичко природни системи, включително човешкото тяло и човешките общности, не са затворени. Отвореността на системата позволява местен начин за намаляване на ентропията чрез обмен на енергия.Примери за необратими процеси. Отопляемите тела постепенно се охлаждат чрез предаване на енергията му за по-студени околни тела. Обратният процес на предаване на топлина от студеното тяло до горещо не противоречи на закона за опазване на енергията, ако количеството топлина, дадено от студеното тяло е равно на количеството топлина, получено с горещо, но този процес е спонтанно никога не се случва.
Друг пример. Осцилациите на махалото са деактивирани от позицията на равновесието ще избледнеят ( фиг.13.9; 1, 2, 3, 4- Последователно позиции на махалото при максимално отклонение от равновесното положение). Благодарение на работата на силите на триене, механичната енергия на махалото намалява и температурата на махалото и околния въздух (и следователно тяхната вътрешна енергия) леко се увеличава. Енергично, обратният процес е позволен, когато амплитудата на осцилацията на махалото се увеличава чрез охлаждане на самия махало и атмосфер. Но такъв процес никога не се наблюдава. Механичната енергия спонтанно преминава във вътрешната, но не и обратно. В същото време енергията на подреденото движение на тялото като цяло се превръща в енергията на нервно термично движение на сблъсъците на нейните молекули.

Общо заключение относно необратимостта на процесите в природата. Преминаването на топлина от горещите тела към студена и механична енергия във вътрешния е примерите за най-типичните необратими процеси. Броят на тези примери може да бъде увеличен почти неограничен. Всички те казват, че процесите в природата имат определена посока, по никакъв начин не се отразяват в първия закон на термодинамиката. Всички макроскопични процеси в природата продължават само в една конкретна посока.. В обратна посока те не могат спонтанно да преминават. Всички процеси са необратими, а най-трагичният от тях остаряват и смъртта на организмите.
Точна формулировка на концепцията за необратим процес. За да се разбере правилно съществото на необратимостта на процесите, е необходимо да се направи следното разстройство: необратимтези процеси, които могат спонтанно да продължат само в една конкретна посока; В обратна посока те могат да продължат само с външна експозиция. Така че, можете отново да увеличите люлеенето на колебанията на махалото, като го бутате с ръката си. Но това увеличение не се случва само по себе си, но става възможно в резултат на по-сложен процес, включително движението на ръката.
Математически необратимост на механичните процеси се изразява във факта, че уравненията на движение на макроскопични тела се променят с промяна във времевия знак. Те говорят в такива случаи, а не на инвариант, когато се превръщат t → -t.. Ускорението не променя знака при замяна t → -t.. Силите в зависимост от разстоянията също не променят знака. Знак, когато сменяте t.на -T.промени при скорост. Ето защо при работа чрез триене, в зависимост от скоростта, кинетичната енергия на тялото е необратимо преместване във вътрешната.
Кино "напротив".Ясната илюстрация на необратимостта на явленията в природата е гледането на филм в обратна посока. Например, скочи във водата ще изглежда така. Спокойната вода в басейна започва да разлива, се появяват краката, бързо се движат нагоре, а след това целият водолаз. Повърхността на водата бързо се успокоява. Постепенно скоростта на водолаза намалява и сега той вече е спокойно на кулата. Това, което виждаме на екрана, може да се случи, ако процесите могат да бъдат обърнати.
Абсурдността на случващото се на екрана произтича от факта, че сме свикнали с определена посока на процесите и не се съмняваме в невъзможността за обратен поток. Но такъв процес, като възнесението на гмуркането на водата на кулата, не противоречи или на закона за запазване на енергията, нито на законите на механиката или като цяло всички закони, освен вторият закон на термодинамиката.
Вторият закон на термодинамиката.Вторият закон на термодинамиката показва посоката на възможните трансформации на енергия, т.е. посоката на процесите, и по този начин изразява необратимостта на процесите в природата. Този закон е създаден чрез пряко обобщаване на опитни факти.
Има няколко формулировки на втория закон, които въпреки външната разлика, изразяват по същество едно и също нещо и следователно равни.
Немски учен R. Clausius (1822-1888) формулира този закон като този: невъзможно е да се преведе топлина от по-студена система до по-горещо при липса на други едновременни промени в двете системи или в околните тела.
Тук има опитен факт на определена посока на топлопредаване: самата топлина винаги се движи от горещи тела до студ. Вярно е, че в хладилни растения, пренос на топлина се извършва от студеното тяло до по-топло, но това предаване е свързано с други промени в околните тела: охлаждането се постига чрез работа.
Значението на този закон е, че може да бъде изведено от необратимостта не само на процеса на топлопренасяне, но и други процеси в природата. Ако топло във всички случаи може да бъде спонтанно предадено от студени тела към горещо, ще направи обратими и други процеси.
Всички процеси спонтанно продължават в една конкретна посока. Те са необратими. Топлината винаги се движи от горещо тяло до студ, а механичната енергия на макроскопичните тела е във вътрешната.
Посоката на процесите в природата е посочена от втория закон на термодинамиката.

Заключение

Обобщавайки всичко, което беше споменато по-горе, отбелязваме, че тъй като рационалната наука нараства по-дълбока и по-дълбока, сложността на организацията на съществуващите системи в света все повече осъзнава липсата на предварително признати редукторни концепции. Търсенето на информация за решаващата структура и функцията на сложни системи, водеща наука за необходимостта от създаване на телеологични концепции, т.е. в крайна сметка, за признаването на определен принцип на организиране, което не е нищо повече от проява на волята на Създателя.

Основният резервоар на свободната енергия в биологичните системи е електронно вълнувани състояния на сложни молекулярни комплекси. Тези държави непрекъснато се поддържат поради електронната верига в биосферата, източникът на който е слънчева енергия, а основната "работно вещество" е вода. Част от държавите се изразходват за осигуряване на текущата енергия на тялото, частта може да бъде запаса в продължаването, точно както се случва в лазерите след абсорбиране на импулса на помпата.

Библиография

1. A.N. Матвеев, молекулярна физика

2. Голяма физическа енциклопедия

3. Kanke v.a. "Основните философски насоки и концепции за науката. Резултати от двадесети век. "- m.: Logos, 2000.

4. Лешевич Т.Г. "Философията на науката: традиции и иновации" М.: Предишна 2001 г. "Философия". Ед. Kohanovsky v.p. Ростов-н / д.: Феникс, 2000

5. Н. Наумов, вестник "Монолог" 2000, N4

6. Хакент, "Информационна и самоорганизация".

1. 1. Безделенията на процесите в природата са завършили: студент 10 "Б" на Андронова Анна
2. 2. Необходимо е към процеса, който е в обратна посока на всички същите пратенически държави.
3. 3. Законът за енергоспестяване не забранява, процесите, които не възникват върху опита:  - нагряване на нагрятото тяло по-студено;  - спонтанно люлеещо средство от състоянието на почивка;  - колекцията от пясък в камък и др. Процесите в природата имат определена ориентация. В обратна посока те не могат да текат спонтанно. Всички процеси са необратими.
4. 4. Примери за необратими процеси с концентрации на дифузионно подравняванеПродуктиПродукти спонтанно. Самата обратната обвиняемост никога няма да отиде: никога не спонтанно смес от газове, например, няма да се разделя на компонентния компонент.  топлопроводимостта е необратима, процесът на трансформация на енергия във вътрешността неизбежно е нарушен чрез триене.
5. 5. Даваме още едно предварително сглобяване на махалото, равновесие. Енергиен и обратен процес, когато амплитудата на трептенията увеличава намаляването на охлаждането на самата махало и околната среда. Но такъв процес никога не харесва. Механичната енергия спонтанно преминава във вътрешната, но не и обратно. В същото време енергията на подреденото движение на тялото като цяло се превръща в енергията на нервно термично движение на сблъсъците на нейните молекули.
6. 6. "arrow of time" и проблемна инспекция в естествено от основните проблеми в класическа физика От дълго време остава проблемът с необратимостта на реалните процеси в природата. Всички реални процеси в природата са необратими: това е затихването на махалото и еволюцията на звездата и човешкия живот. Необратимостта на процесите в природата, тъй като тя поставя посоката на оста от миналото в бъдещето. Това е разпоредби на английския физик и астроном А. Едингтония, наречен "стрела на времето".
7. 7. Вторият закон на термодинамиката показва посоката на възможните енергийни трансфери и по този начин изразява необратимостта на процесите в природата. Тя се създава чрез пряко обобщаване на опитни факти.
8. 8. Текстът на R. Clausius: Невъзможно е да се преведе топлина от по-студена система до по-гореща при липса на едновременни промени в двете системи или околните тела. Топлината, взета от един източник.
9. 9. Clausius Rudolph (1822. -1888) Clausius принадлежи към основната работа в областта на молекулярната кинетична теория на топлина. Работата на Клаузий допринесе за въвеждането на статистически методи във физиката. Clausius направи важен принос за теорията на електролизата теоретично обоснована закона на джаул - Lenza, разработи теорията за поляризацията на диелектриците, въз основа на която се установява връзката между диелектричната константа и поляризността.
10. 10. U.Kelvin (1824-1907) Уилям Келвин е автор на много теоретични творби във физиката, той изучава явленията на електрическия ток, динамична геология. Заедно с Джеймс Джоем Келвин изразходва експериментите върху охлаждането на газовете и формулира теорията на реалните газове. Името му получи абсолютна термодинамична температура.
11. 11. Проблемът с необратимостта на процесите в естествено по същество всички процеси в макросистемите са необратими. Основният въпрос възниква: каква е причината за необратимостта? Изглежда особено странно, ако считаме, че всички закони на механиката са обратими във времето. Въпреки това, никой не е видял, например, счупената ваза спонтанно се възстанови от фрагментите. Този процес може да се наблюдава, ако стане възможно да го види в обратна посока, но в действителност. Има и забрани, инсталирани от втория над фермендудинамиката., Представяне на това сложен проблем Sengorod Откриването на нова термодинамична стойност на -entropy е разкритието на ефизическото значение.
12. 12. Ентропия - мярка за система от система, състояща се от много елементи. По-специално, в статистическата физика - мярка за вероятността за прилагане на макроскопско състояние.
13. 13. Реалността на необратимите процеси често наблюдавани процеси са необратими: опитайте се да хвърлите камък във водата - винаги ще отхвърляте концентричните фабрични вълни във водата и никога не се връщайте на това място. В химията примери за необратими процеси са реакции, които винаги работят с увеличаването на ентропията. В биологията -Zhizn винаги започва с раждане, продължаваща, зрялост и старост и завършва със смърт, и никога не се случва не само обратното развитие на живи организми, но дори и спиране на този процес. В астрономията тя е звезди, постепенно избледняваща податлива на гравитационния колапс.
14. 14. Благодаря ви за вниманието!

• Вторият закон на термодинамиката гласи факта на необратимост на процесите в природата, но не му дава никакво обяснение. Това обяснение може да се получи само въз основа на молекулярната кинетична теория и е далеч от просто.

Противоречие между обратимостта на микропроцесиите и необратимостта на макропроцесите

Неравновращаемостта на макропроцесите изглежда парадоксално, защото всички микропроцесии са обратими във времето. Уравненията на движението на отделни микрочастици, както класически, така и квантово, обратимо, без скорост на скоростта, зависими от триене, не съдържат.

Силата на триене е макроскопичен ефект на взаимодействие голямо тяло С огромен брой молекули на околната среда, а появата на тази сила се нуждае от обяснение. Силите, чрез които микрочастиците взаимодействат (преди всичко това са електромагнитни сили), във времето обратимо. Уравненията на Maxwell, описващи електромагнитните взаимодействия, не се променят при замяна на t - t.

Ако вземете най-простия модел на газа - набор от еластични топки, тогава газът като цяло ще открие определен фокус на поведението. Например, като се компресира в половин съд, той ще започне да се разширява и отнема целия съд. Той отново няма да бъде притиснат. Уравненията на движението на всяка молекула-топка са обратими, тъй като те съдържат само сили в зависимост от разстоянията и проявите, когато молекулите се сблъскват.

Така задачата се състои не само в обяснението на произхода на необратимост, но и при координирането на факта на обратимост на микропроцесиите с факта на необратимостта на макропроцесите.

Заслугата в намирането на фундаментално правилен подход за решаване на този проблем принадлежи на Boltzmann. Вярно е, че някои аспекти на необратимостта все още не са получили изчерпателно решение.

Установяване на пример за необратимост

Ние даваме прост всекидневен пример, въпреки тривиалността си, пряко свързан с решаването на проблема с необратимостта на Болцман.

Да предположим, че решите да започнете от понеделник нов живот. Необходимо условие за това обикновено е идеалното или близо до идеалния ред на бюрото. Вие задавате всички елементи и книги на строго дефинирани места и имате състояние на масата, което може да се нарече "поръчка" с пълно право.

Това, което се случва с времето, е добре известно. Забравяте да поставяте предмети и книги на строго определени места и състоянието на резервите на хаоса на масата. Не е трудно да се разбере какво е свързано с. Състоянието на "поръчката" съответства само на едно определено подреждане на позиции, а състоянието на "хаос" е несравнимо по-голям брой. Щом предметите да започнат да заемат произволни разпоредби, които не се контролират от вашата воля, има по-вероятно състояние на хаос на масата, прилаган много голямо число разпределения на обекти на масата.

По принцип тези съображения бяха изразени от Boltzmann, за да обяснят необратимостта на макропроцесите.

Микроскопично и макроскопско състояние

На първо място е необходимо да се разграничи макроскопското състояние на системата и неговото микроскопско състояние.

Макроскопското състояние се характеризира с няколко от термодинамичните параметри (налягане, обем, температура и т.н.), както и механични стойности като положението на центъра на масата, скоростта на центъра на масата и т.н. е макроскопични стойности, характеризиращи държавата като цяло, са от практическо значение.

Микроскопското състояние се характеризира в общия случай чрез позоваване на координатите и скоростите (или импулсите) на всички частици, които съставляват системата (макроскопично тяло). Това е несравнимо по-подробна характеристика на системата, по който не е необходимо да се описват процесите с макроскопични тела. Освен това знанието за микроостава всъщност е недостижимо поради огромния брой частици, които са майстол.

В горния ежедневен пример с обекти на масата можете да влезете в концепциите за микро и макро-щандове. Някои определени предмети на обектите са отговорни за микрозадържането, а макро-стандартът е оценка на ситуацията като цяло: или "ред" или "хаос".

Очевидно е, че определен макро-стандарт може да бъде реализиран с огромен брой различни микрости. Например преходът на една молекула от тази точка на друга точка или промяната в скоростта му в резултат на сблъсъка променя микродолежите на системата, но, разбира се, не променя термодинамичните параметри и следователно, макро-стандарт на системата.

Сега въвеждаме хипотезата, не толкова очевидна като предходните изявления: всички микроскопични състояния на затворената система са еднакво равни; Никой от тях не е разпределен, не отнема преференциално положение. Това предположение всъщност е еквивалентно на хипотезата за хаотичния характер на термичното движение на молекулите.

Вероятност на държава

През времето на микроостарата непрекъснато се заменят взаимно. Времето на престоя на системата в определено макроскопско състояние е пропорционално, очевидно броят на микростите Z 1, което прилага това състояние. Ако чрез z обозначава общия брой на системните микростини, тогава вероятността от държавата w е определена така:

Вероятността на макроскопична държава е равна на съотношението на броя на микростите, които прилагат макро-стандарт, до общия брой възможни микрости.

Системен преход към най-вероятното състояние

Колкото по-голям z 1, колкото по-голяма е вероятността за тази макрогада и по-голямата система ще бъде в това състояние. Така развитието на системата се осъществява в посоката на прехода от невероятни държави в държави по-вероятно. С това е, че необратимостта на потока от макроскопични процеси е свързана, въпреки обратимостта на законите, контролиращи движението на отделни частици. Обратният процес не е невъзможен, просто е малко вероятно. Тъй като всички микрости са еднакво в състояние, по принцип, може да възникне макро-стандарт, реализиран с малък брой микрости, но това е изключително рядко събитие. Не трябва да се изненадваме, ако никога не ги виждате. Най-вероятно условието за термично равновесие. Той е отговорен за най-големия брой микрости.

Лесно да се разбере защо механична енергия Спонтанно преминава във вътрешността. Механичното движение на тялото (или системата) е поръчано движение, когато всички части на тялото са идентични или подобни. Подреденото движение съответства на малък брой микростастери в сравнение с непостоянното термично движение. Следователно, малко вероятното състояние на подреденото механично движение се превръща в безразборно движение на топлина, прилагано от много голям брой микрости.

По-малко визуален преходен процес на топлина от горещо тяло до студ. Но тук същността на необратимостта е същата.

В началото на топлообмен, има две групи молекули: молекули с по-висока средна кинетична енергия в горещи тела и ниско средно кинетични молекули на студ. При установяване на термично равновесие в края на процеса, всички молекули ще бъдат собственост на една група молекули с една и съща средна кинетична енергия. По-наредена държава с разделянето на молекулите в две групи престава да съществува.

Така че необратимостта на процесите се дължи на факта, че не-равновесните макроскопски държави са малко вероятни. Тези държави възникват естествено в резултат на еволюцията на Вселената или са създадени изкуствено от човек. Например, ние получаваме високо не-равновесни състояния, нагряване на работната флуид на термичния двигател до температури, за стотици градуси надвишават температурата на околната среда.

Разширяване на "газ" от четири молекули

Помислете за прост пример, което дава възможност за изчисляване на вероятностите на различните държави и ясно показване на това как увеличаването на броя на частиците в системата води до факта, че процесите стават необратими, въпреки обратимостта на движението на микрочастици.

Нека имаме "газ" в съд, състоящ се само от четири молекули. Първоначално всички молекули са разположени в лявата половина на съда, разделен от дяла от дясната половина (фиг. 5.12, а). Ще премахнем дяла, а "газът" ще започне да се разширява, заемайки целия кораб. Нека видим каква е вероятността "газ" отново да извика, т.е. молекулите отново ще се съберат в половината от кораба.

Фиг. 5.12.

В нашия пример макро-стандарт ще се характеризира с индикация за броя на молекулите в една половина на съда без позоваване на кои молекули са тук. Микроотацията се определя чрез разпределение на молекули с половин съд, което показва кои молекули заемат тази половина на съда. Номер на молекулите в числа 1, 2, 3, 4. Възможни са 16 различни микростастери, всички те са изобразени на фигура 5.12, a - d.

Вероятността всички молекули да бъдат събрани в половината (например, левия) съд е равен на

тъй като една микро-стойка съответства на тази макрокация (виж фиг. 5.12, а, b).

Вероятността, че молекулите ще бъдат разделени еднакво, ще бъдат 6 пъти повече:

тъй като шест микростас съответстват на това макроше (виж Фиг. 5.12, Е).

Вероятността, че в една половина на съда (например лявата) ще бъде три молекули (и в друга, съответно, една молекула) е равна на (виж фиг. 5.12, b, d)

По-голямата част от времето на молекулата ще бъдат разпределени в половината кораба еднакво: това е най-вероятното състояние.

Но приблизително голям интервал от времето за наблюдение на молекулата ще заемат една от половината от кораба. Така процесът на разширяване е обратим и "газ" отново се компресира след сравнително кратък период от време.

Необратимост на разширяването на газта с голям брой молекули

Но тази обратимост е възможна само с малък брой молекули. Ако броят на молекулите стане огромен, резултатът варира значително. Изчисляваме вероятността от събитие, когато молекулите отново ще се съберат в половината от кораба след разширяването, ако броят на молекулите произволно.

Молекулите с перфектен газ почти се движат независимо един от друг. За една молекула, вероятността, че ще бъде в лявата половина на кораба, е равен, очевидно.

Това е вероятност за друга молекула. Тези събития са независими и вероятността първата и втората молекули да се събират в лявата половина на кораба, е равно на продукта на вероятностите: . За три молекули вероятността за намиране на молекули в една половина на съда е равна и за четири. Именно такава вероятна стойност, която сме получили с подробно разглеждане на разпределението на молекулите от кораба.

Но ако приемате реалния брой газови молекули в 1 cm 3 при нормални условия (п \u003d 3 10 19), тогава вероятността молекулите ще се събират в половината от съда с обем 1 cm 3, то ще бъде абсолютно незначителен :.

По този начин, само заради голям брой молекули в кварките, процесите в природата са практически необратими. По принцип са възможни обратни процеси, но вероятността им е близо до нула. Не противоречи, стриктно говоренето, законите на природата, процеса, в резултат на което, с случайно движение на молекули, те всички ще се съберат в половината от класа, а учениците в другата половина на класа се задуши. Но наистина това събитие никога не се е случвало в миналото и няма да се случи в бъдеще. Вероятността за такова събитие беше твърде малък, за да се случи за цялото съществуване на вселената в модерна държава - около няколко милиарда години.

Според оценките, тази вероятност е около същия ред, както и вероятността, че 20 000 маймуни, счупвано удряне на машините за писане, отпечатани без низната грешка "война и мир" Л. Н. Толстой. По принцип това е възможно, но наистина никога не се случва.

Стрелка от време

Във всички процеси има специална посока, в която процесите отиват от по-наредено състояние до по-малко поръчано. Колкото по-голям е редът в системата, толкова по-трудно е да го възстановите от бъркотията. Това е несравнимо по-лесно да разбие стъклото, отколкото да се направи нова и да я постави в рамката. Много по-лесно е да се убие живо същество, отколкото да го върне в живота, ако е възможно. - Бог направи малък бъг. Ако го смачкате, тя ще умре "- такъв епиград постави американския биохимик Св. Диедо до книгата си" Биоенергетика ".

Избраната посока на времето ("Time arrow"), възприемана от нас, очевидно се дължи на посоката на процесите в света.

Границите на приложимостта на втория закон на термодинамиката

Вероятността за обратни процеси на преход от равновесни състояния към нежефилиброи за макроскопични системи обикновено са много малки. Но за малки томове, съдържащи малък брой молекули, вероятността за отклонение от равновесие става забележима. Такива случайни отклонения от равновесие се наричат \u200b\u200bколебания. То е точно колебанията на плътността на газа в районите на дължината на дължината на светлината, обяснявайте разсейването на светлината в атмосферата на земята и цвета на синята небе. Колебанията под налягане в малки обеми обясняват движението на Brownian.

Наблюдението на колебанията служи като най-важното доказателство за верността на създадения болцман на статистическата теория на необратимостта на макропроцесите. Вторият закон на термодинамиката се извършва само за системи с огромен брой частици. Малките обеми стават съществени отклонения от този закон.

"Demon maxwell"

Любопитен пример за възможно нарушение на втория закон на термодинамиката, изобретен maxwell. Разумно създание е "демон" - контролира много лек капак в дял, отделящ две отделения - А и В - с газ, който е при същата температура и налягане (Фиг. 5.13). "Демонът" се наблюдава от молекули, постоянни на амортисьора и го отваря само за бързи молекули, движещи се от отделението в отделението А. В резултат на това, с потока на газ в отделението и се загрява, и в отделението охлажда. Работното в същото време не се извършва, тъй като амортисьорът на почти гаденето и вторият закон на термодинамиката изглежда е нарушен.

Фиг. 5.13.

В действителност обаче нарушаването на втория закон не се случва. За работата си "демон" трябва да получава информация за скоростите на молекулите, които са разделими. Невъзможно е да се получи такава информация без разходи за енергия.

За да се получи такава информация, е необходимо, например, за директно електромагнитно излъчване върху молекули и да получавате отразени сигнали.

Неверността на процесите в природата е свързана с желанието на системите към прехода към най-вероятното състояние, на което е отговорен максималното разстройство.

Вторият закон на термодинамиката гласи факта на необратимост на процесите в природата, но не му дава никакво обяснение. Това обяснение може да бъде получено само на базата на молекулярно-кинетична теория и е далеч от просто.

Противоречие между обратимостта на микропроцесиите и необратимостта на макропроцесите

Неравновращаемостта на макропроцесите изглежда парадоксално, защото всички микропроцесии са обратими във времето. Уравненията на движението на отделни микрочастици, както класически, така и квантово, обратимо, без скорост на скоростта, зависими от триене, не съдържат. Силата на триене е макроскопичен ефект на взаимодействието на голямото тяло с огромен брой молекули за околната среда, а появата на тази сила се нуждае от обяснение. Силите, чрез които микрочастиците взаимодействат (преди всичко това са електромагнитни сили), във времето обратимо. Maxwell уравнения, описващи електромагнитни взаимодействия, не се променят при смяна t. на - t..

Ако вземете най-простия модел на газа - набор от еластични топки, тогава газът като цяло ще открие определен фокус на поведението. Например, като се компресира в половин съд, той ще започне да се разширява и отнема целия съд. Той отново няма да бъде притиснат. Уравненията на движението на всяка молекула-топка са обратими, тъй като те съдържат само сили в зависимост от разстоянията и проявите, когато молекулите се сблъскват.

Така задачата се състои не само в обяснението на произхода на необратимост, но и при координирането на факта на обратимост на микропроцесиите с факта на необратимостта на макропроцесите.

Заслугата в намирането на фундаментално правилен подход за решаване на този проблем принадлежи на Boltzmann. Вярно е, че някои аспекти на необратимостта все още не са получили изчерпателно решение.

Установяване на пример за необратимост

Ние даваме прост всекидневен пример, въпреки тривиалността си, пряко свързан с решаването на проблема с необратимостта на Болцман.

Да предположим, от понеделник, вие сте решили да започнете нов живот. Необходимо условие за това обикновено е идеалното или близо до идеалния ред на бюрото. Вие задавате всички елементи и книги на строго дефинирани места и имате състояние на масата, което може да се нарече "поръчка" с пълно право.

Това, което се случва с времето, е добре известно. Забравяте да поставяте предмети и книги на строго определени места и състоянието на резервите на хаоса на масата. Не е трудно да се разбере какво е свързано с. Състоянието на "поръчката" съответства само на едно определено подреждане на позиции, а състоянието на "хаос" е несравнимо по-голям брой. И веднага щом артикулите започват да заемат произволни разпоредби, които не се контролират от вашата воля, на таблицата, по-вероятното състояние на хаос се случва на масата, изпълнявано от много голям брой разпределения на обекти на масата.

По принцип тези съображения бяха изразени от Boltzmann, за да обяснят необратимостта на макропроцесите.

Микроскопично и макроскопско състояние

На първо място е необходимо да се разграничи макроскопското състояние на системата и неговото микроскопско състояние.

Макроскопското състояние се характеризира с няколко от термодинамичните параметри (налягане, обем, температура и т.н.), както и механични стойности като положението на центъра на масата, скоростта на центъра на масата и т.н. е макроскопични стойности, характеризиращи държавата като цяло, са от практическо значение.

Микроскопското състояние се характеризира в общия случай чрез позоваване на координатите и скоростите (или импулсите) на всички частици, които съставляват системата (макроскопично тяло). Това е несравнимо по-подробна характеристика на системата, по който не е необходимо да се описват процесите с макроскопични тела. Освен това знанието за микроостава всъщност е недостижимо поради огромния брой частици, които са майстол.

В горния ежедневен пример с обекти на масата можете да влезете в концепциите за микро и макро-щандове. Някои определени предмети на обектите са отговорни за микрозадържането, а макро-стандартът е оценка на ситуацията като цяло: или "ред" или "хаос".

Това е съвсем очевидно един макро прозорец може да бъде реализиран с огромен брой различни микрости.Например преходът на една молекула от тази точка на друга точка или промяната в скоростта му в резултат на сблъсъка променя микродолежите на системата, но, разбира се, не променя термодинамичните параметри и следователно, макро-стандарт на системата.

Сега въвеждаме хипотезата, а не толкова очевидна като предходните изявления: всички микроскопични състояния на затворената система са еднакво равни; Никой от тях не е разпределен, не отнема преференциално положение.Това предположение всъщност е еквивалентно на хипотезата за хаотичния характер на термичното движение на молекулите.