Tako kot prvi zakon termodinamike uvaja funkcijo stanja - notranjo energijo, uvaja drugi zakon funkcijo stanja, imenovano entropija (S) (iz gr. entropija- obrat, preobrazba). Upoštevanje sprememb te funkcije je privedlo do razdelitve vseh procesov v dve skupini: reverzibilne in ireverzibilne (spontane) procese.

Postopek se imenuje reverzibilen, če se lahko izvede najprej v smeri naprej in nato v nasprotni smeri in tako, da ne ostane nobena sprememba ne v sistemu ne v okolju. Popolnoma reverzibilen proces - abstrakcija, vendar je veliko procesov mogoče izvesti pod takimi pogoji, da je njihov odklon od reverzibilnosti zelo majhen. Za to je potrebno, da na vsaki infinitezimalni stopnji stanje sistema, v katerem se ta proces pojavi, ustreza stanju ravnovesja.

Stanje ravnovesja- posebno stanje termodinamičnega sistema, v katerega preide zaradi reverzibilnih ali ireverzibilnih procesov in tam lahko ostane neomejeno dolgo. Resnični procesi se lahko približajo reverzibilnim, vendar se morajo za to odvijati počasi.

Postopek se imenuje ireverzibilna (naravna, spontana, spontana), če ga spremlja disipacija energije, to je enakomerna porazdelitev med vsemi telesi sistema kot posledica procesa prenosa toplote.

Kot primere ireverzibilnih procesov lahko navedemo naslednje:

zmrzovanje prehlajene tekočine;

širjenje plina v izpraznjen prostor;

difuzijo v plinski fazi ali tekočini.

Sistem, v katerem je prišlo do ireverzibilnega procesa, je mogoče vrniti v prvotno stanje, vendar je za to treba opraviti delo na sistemu.

Ireverzivni procesi vključujejo večino resničnih procesov, saj jih vedno spremlja delo proti silam trenja, kar povzroči neuporabno porabo energije, ki jo spremlja disipacija energije.

Za ponazoritev konceptov razmislite o idealnem plinu, ki se nahaja v valju pod batom. Naj bo začetni tlak plina P 1 z njegovo prostornino V 1 (slika 4.1).

Tlak plina uravnava pesek, ki se nasuje na bat. Množica ravnotežnih stanj je opisana z enačbo pV = const in je grafično predstavljena z gladko krivuljo (1).

Če iz bata odstranimo določeno količino peska, bo tlak plina nad batom močno padel (od A do B), šele nato se bo prostornina plina povečala na ravnotežno vrednost (od B do C). Narava tega procesa je prekinjena črta 2. Ta črta označuje odvisnost P= f (V) v nepovratnem procesu.

riž. 4.1. Odvisnost tlaka plina od njegove prostornine pri reverzibilnih (1) in ireverzibilnih procesih (2, 3).

Iz slike je razvidno, da je pri reverzibilnem širjenju plina delo, ki ga opravi (površina pod gladko krivuljo 1), večje kot pri katerem koli ireverzibilnem širjenju.

Tako je za vsak termodinamični proces značilna največja možna količina dela, če poteka v reverzibilnem načinu. Do podobnega zaključka lahko pridemo, če upoštevamo proces stiskanja plina. Upoštevajte le, da je v tem primeru količina dela negativna vrednost (slika 4.1, prekinjena črta 3).

Opis

Že dolgo je znano, da v isto reko ne moreš vstopiti dvakrat. Svet okoli nas se spreminja, spreminja se naša družba, mi sami, člani družbe, pa se samo staramo. Spremembe so nepovratne.
Ireverzibilni procesi so fizikalni procesi, ki lahko spontano potekajo samo v eni smeri – proti enakomerni porazdelitvi snovi, toplote itd.; značilna pozitivna proizvodnja entropije. V zaprtih sistemih ireverzibilni procesi vodijo do povečanja entropije.

Delo je sestavljeno iz 1 datoteke

Povzetek o fiziki

na temo: “Nepovratnost procesov v naravi”

Dokončano delo

Igor Rubcov

Uvod

Že dolgo je znano, da v isto reko ne moreš vstopiti dvakrat. Svet okoli nas se spreminja, spreminja se naša družba, mi sami, člani družbe, pa se samo staramo. Spremembe so nepovratne.

Ireverzibilni procesi so fizikalni procesi, ki lahko spontano potekajo samo v eni smeri – proti enakomerni porazdelitvi snovi, toplote itd.; značilna pozitivna proizvodnja entropije. V zaprtih sistemih ireverzibilni procesi vodijo do povečanja entropije.

Klasična termodinamika, ki preučuje ravnotežne, reverzibilne procese, ugotavlja neenakosti, ki nakazujejo možno smer ireverzibilnih procesov.

Ireverzibilne procese preučujeta termodinamika neravnovesnih procesov in statistična teorija neravnovesnih procesov. Termodinamika ireverzibilnih procesov omogoča, da za različne ireverzibilne procese ugotovimo proizvodnjo entropije v sistemu, odvisno od parametrov neravnovesnega stanja, kot tudi dobimo enačbe, ki opisujejo časovne spremembe teh parametrov.

Nepovratni procesi

Med nepovratne procese štejemo: procese difuzije, toplotne prevodnosti, toplotne difuzije, viskoznega toka, raztezanja plina v prazno itd.

Difuzija (iz latinščine diffusio - širjenje, širjenje, razprševanje), gibanje delcev medija, ki vodi do prenosa snovi in ​​izenačitve koncentracij ali vzpostavitve ravnotežne porazdelitve koncentracij delcev določene vrste v mediju. . V odsotnosti makroskopskega gibanja medija (na primer konvekcije) je difuzija molekul (atomov) določena z njihovim toplotnim gibanjem (tako imenovana molekularna difuzija). V heterogenem sistemu (plin, tekočina) z molekularno difuzijo brez zunanjih vplivov je difuzijski tok (masni tok) sorazmeren z njegovim koncentracijskim gradientom. Proporcionalni koeficient se imenuje difuzijski koeficient. V fiziki se poleg difuzije molekul (atomov) obravnava tudi difuzija prevodnih elektronov, lukenj, nevtronov in drugih delcev.

Toplotna prevodnost, prenos energije z bolj segretih delov telesa na manj segrete zaradi toplotnega gibanja in interakcije njegovih sestavnih delcev. Privede do izenačitve telesne temperature. Običajno je količina prenesene energije, definirana kot gostota toplotnega toka, sorazmerna s temperaturnim gradientom (Fourierjev zakon). Koeficient sorazmernosti se imenuje koeficient toplotne prevodnosti.

Toplotna difuzija (toplotna ali toplotna difuzija), difuzija, ki jo povzroči prisotnost temperaturnega gradienta v mediju (raztopini, zmesi). Med toplotno difuzijo je koncentracija komponent v območjih nizkih in visokih temperatur različna. Toplotno difuzijo v raztopinah imenujemo tudi Soretov učinek po švicarskem znanstveniku Ch. Soretu (1879).

Neravnotežni procesi so fizikalni procesi, pri katerih sistem prehaja skozi neravnovesna stanja. Neravnovesni procesi so ireverzibilni.

Termodinamika neravnotežnih procesov, veja fizike, ki proučuje neravnovesne procese (difuzija, viskoznost, termoelektrični pojavi itd.) na podlagi splošnih zakonov termodinamike. Za kvantitativno preučevanje neravnovesnih procesov, zlasti določanje njihovih hitrosti glede na zunanje pogoje, se sestavijo ravnotežne enačbe mase, gibalne količine, energije in entropije za osnovne prostornine sistema in te enačbe preučujejo skupaj z enačbami procesov pod upoštevanje. Termodinamika neravnovesnih procesov - teoretična osnova raziskovanje odprtih sistemov, vključno z živimi bitji.

Odprti sistemi, sistemi, ki lahko izmenjujejo snov (pa tudi energijo in gibalno količino) z okoljem. Odprti sistemi vključujejo na primer kemične in biološke sisteme (vključno z živimi organizmi), v katerih poteka neprekinjen tok. kemične reakcije zaradi snovi, ki prihajajo od zunaj, produkti reakcije pa se odstranijo. Odprti sistemi so lahko v stacionarnih stanjih, daleč od ravnotežnih stanj.

Neravnovesje sistemov

V absolutno ravnotežnih sistemih doseže entropija največjo možno vrednost za določeno število elementov. Elementi pri EO max. delujejo neomejeno »svobodno«, ne glede na vpliv drugih elementov. V sistemu ni reda.

Očitno absolutni kaos v sistemih ne obstaja. Vsi sistemi v resničnem življenju imajo manj ali bolj opazen red v svoji strukturi in ustrezen GNG. Več ko ima sistem v strukturi urejenosti, bolj se odmika od ravnotežnega stanja. Po drugi strani pa se neravnovesni sistemi nagibajo k termodinamičnemu ravnotežju, tj. povečajte svoj OE. Če ne dobijo dodatne energije ali GNG, ne morejo dolgo časa vzdržuje svoje neuravnoteženo stanje. Toda ravnovesje je lahko tudi dinamično, kjer procesi potekajo enakomerno v nasprotnih smereh. Navzven se ohranja ravnovesje, tj. stabilnost sistema. Če se hitrost takih procesov malo spremeni, so takšni režimi stacionarni, tj. razmeroma stabilen skozi čas. Hitrost procesov se lahko spreminja v zelo širokih mejah. Če je hitrost procesov zelo majhna, je lahko sistem v stanju lokalnega kvaziravnovesja, tj. navidezno ravnovesje. Neuravnoteženost sistemov igra pomembno vlogo pri njihovi izmenjavi informacij. Večje kot je neravnovesje, večja je njihova občutljivost in sposobnost sprejemanja informacij ter večja je možnost samorazvoja sistema.

Povečanje entropije v zaprtih sistemih

Entropija je bila prvotno uvedena za razlago zakonov delovanja toplotnega stroja. V ožjem smislu entropija označuje ravnotežno stanje zaprtega sistema veliko število delci.

V običajnem razumevanju ravnovesje v sistemu preprosto pomeni kaos. Za ljudi je največja entropija uničenje. Vsako uničenje poveča entropijo.

Entropija zaprtega sistema je ireverzibilna. Toda v naravi popolnoma zaprti sistemi ne obstajajo. In za odprte neravnotežne sisteme natančna definicija entropije še ni znana. Entropije ni mogoče izmeriti. Ni ga mogoče izpeljati iz strogih fizikalnih zakonov. Entropija je uvedena v termodinamiki, da bi označila nepovratnost procesov, ki potekajo v plinih.

Mnogi znanstveniki fenomenoloških zakonov termodinamike ne obravnavajo kot naravne zakone, ampak jih obravnavajo kot poseben primer pri delu s plinom z uporabo toplotnega stroja. Zato razširjena razlaga entropije v fiziki ni priporočljiva.

Po drugi strani pa je nepovratnost potekajočih fizičnih procesov in našega življenja samega dejstvo. S tega stališča je uporaba koncepta entropije v nefizikalnih disciplinah za karakterizacijo stanja sistema povsem upravičena. Vse naravni sistemi, vključno s človeškim telesom in človeškimi skupnostmi, niso zaprti. Odprtost sistema omogoča lokalno zmanjšanje entropije z izmenjavo energije.Primeri ireverzibilnih procesov. Segreta telesa se postopoma ohlajajo in svojo energijo prenašajo na hladnejša okoliška telesa. Obratni proces prenosa toplote s hladnega telesa na vroče ni v nasprotju z zakonom o ohranitvi energije, če je količina toplote, ki jo odda hladno telo, enaka količini toplote, ki jo prejme vroče telo, vendar tako proces se nikoli ne zgodi spontano.
Še en primer. Nihanje nihala, odmaknjenega iz ravnotežnega položaja, upada ( Slika 13.9; 1, 2, 3, 4- zaporedni položaji nihala pri največjih odstopanjih od ravnotežnega položaja). Zaradi dela tornih sil se mehanska energija nihala zmanjša, temperatura nihala in okoliškega zraka (in s tem njuna notranja energija) pa nekoliko naraste. Energijsko dopusten je tudi obraten proces, ko se amplituda nihanja nihala poveča zaradi ohlajanja nihala samega in okolju. Toda takega procesa nikoli ne opazimo. Mehanska energija se spontano spremeni v notranjo energijo, ne pa obratno. V tem primeru se energija urejenega gibanja telesa kot celote pretvori v energijo neurejenega toplotnega gibanja molekul, ki ga sestavljajo.

Splošna ugotovitev o nepovratnosti procesov v naravi. Prehod toplote iz vročega telesa v hladno in mehanske energije v notranjo energijo sta primera najbolj tipičnih ireverzibilnih procesov. Število takšnih primerov je mogoče povečati skoraj neomejeno. Vsi pravijo, da imajo procesi v naravi določeno smer, ki pa se nikakor ne odraža v prvem zakonu termodinamike. Vsi makroskopski procesi v naravi potekajo samo v eni določeni smeri. Ne morejo spontano teči v nasprotno smer. Vsi procesi v naravi so nepovratni, najbolj tragična med njimi pa sta staranje in odmiranje organizmov.
Natančna formulacija koncepta ireverzibilnega procesa. Da bi pravilno razumeli bistvo nepovratnosti procesov, je potrebno naslednje pojasnilo: nepovraten To so procesi, ki se lahko spontano odvijajo samo v eni določeni smeri; v nasprotno smer lahko tečejo le pod zunanjim vplivom. Tako lahko ponovno povečate nihanje nihala tako, da ga potisnete z roko. Toda to povečanje se ne zgodi samo po sebi, ampak postane možno kot posledica bolj zapletenega procesa, ki vključuje gibanje roke.
Matematično se ireverzibilnost mehanskih procesov izraža v tem, da se enačbe gibanja makroskopskih teles spreminjajo s spremembo predznaka časa. Niso, kot pravijo v takšnih primerih, nespremenljivi pri transformaciji t→-t. Pospešek pri zamenjavi ne spremeni predznaka t→-t. Tudi sile, odvisne od razdalj, ne spremenijo predznaka. Nadomestni znak t na -t spreminja s hitrostjo. Zato se pri delu s silami trenja, ki so odvisne od hitrosti, kinetična energija telesa nepovratno spremeni v notranjo energijo.
Kino je nasprotje. Osupljiva ilustracija nepovratnosti pojavov v naravi je gledanje filma v obratni smeri. Na primer, skok v vodo bo izgledal takole. Mirna voda v bazenu začne vreti, pojavijo se noge, ki se hitro pomikajo navzgor, nato pa celoten potapljač. Gladina vode se hitro umiri. Postopoma se potapljačeva hitrost zmanjšuje in zdaj mirno stoji na stolpu. To, kar vidimo na zaslonu, bi se lahko zgodilo v resnici, če bi procese lahko obrnili.
Absurdnost dogajanja na ekranu izvira iz dejstva, da smo navajeni na določeno smer procesov in ne dvomimo v nezmožnost njihovega obratnega toka. Toda tak postopek, kot je dvig potapljača na stolp iz vode, ni v nasprotju niti z zakonom o ohranitvi energije, niti z zakoni mehanike, niti s kakršnimi koli zakoni, razen drugi zakon termodinamike.
Drugi zakon termodinamike. Drugi zakon termodinamike nakazuje smer možnih transformacij energije, to je smer procesov, in s tem izraža nepovratnost procesov v naravi. Ta zakon je bil ugotovljen z neposredno posplošitvijo eksperimentalnih dejstev.
Obstaja več formulacij drugega zakona, ki kljub zunanjim razlikam v bistvu izražajo isto stvar in so torej enakovredne.
Nemški znanstvenik R. Clausius (1822-1888) je ta zakon formuliral na naslednji način: Nemogoče je prenesti toploto iz hladnejšega sistema v bolj vročega brez drugih hkratnih sprememb v obeh sistemih ali v okoliških telesih.
Tukaj je navedeno eksperimentalno dejstvo o določeni smeri prenosa toplote: toplota vedno prehaja sama od vročih teles na hladna. Res je, da v hladilnih napravah pride do prenosa toplote s hladnega telesa na toplejše, vendar je ta prenos povezan z drugimi spremembami okoliških teles: hlajenje se doseže z delom.
Pomen tega zakona je, da je iz njega mogoče sklepati o nepovratnosti ne le procesa prenosa toplote, temveč tudi drugih procesov v naravi. Če bi se toplota v nekaterih primerih lahko spontano prenašala s hladnih teles na vroča, bi to omogočilo reverzibilnost drugih procesov.
Vsi procesi spontano potekajo v določeni smeri. So nepovratni. Toplota se vedno premika od vročega telesa do hladnega, mehanska energija makroskopskih teles pa v notranjo energijo.
Smer procesov v naravi nakazuje drugi zakon termodinamike.

Zaključek

Če povzamemo vse zgoraj povedano, ugotavljamo, da ko racionalna znanost vedno globlje razume kompleksnost organizacije sistemov, ki obstajajo v svetu, se vse bolj zaveda nezadostnosti prej priznanih redukcionističnih konceptov. Iskanje virov informacij, ki opredeljujejo strukturo in delovanje kompleksnih sistemov, privede znanost do potrebe po ustvarjanju teleoloških konceptov, to je navsezadnje do priznanja določenega organizacijskega principa, ki ni nič drugega kot manifestacija volje Ustvarjalec.

Glavni rezervoar proste energije v bioloških sistemih so elektronsko vzbujena stanja kompleksnih molekularnih kompleksov. Ta stanja se nenehno ohranjajo zaradi kroženja elektronov v biosferi, katerih vir je sončna energija, glavna "delovna snov" pa je voda. Nekatera stanja se porabijo za zagotovitev trenutnega energetskega vira telesa, nekatera se lahko shranijo v prihodnosti, tako kot se to zgodi v laserjih po absorbciji impulza črpalke.

Reference

1. A.N. Matveev, "Molekularna fizika"

2. Velika fizična enciklopedija

3. Kanke V.A. »Glavne filozofske smeri in koncepti znanosti. Rezultati dvajsetega stoletja." - M .: Logos, 2000.

4. Leshkevich T.G. "Filozofija znanosti: tradicije in inovacije" M.: PRIOR, 2001 "Filozofija" pod. izd. Kohanovski V.P. Rostov-n/D .: Phoenix, 2000

5. O. Naumov, časopis "Monolog" 2000, N4

6. G. Haken, "Informacije in samoorganizacija."

1. 1. Nepovratnost procesov v naravi Izpolnila: študentka razreda 10 "B" Andronova Anna
2. 2. Ireverzibilen je proces, ki ga ni mogoče izvesti v nasprotni smeri skozi vsa ista vmesna stanja.
3. 3. Zakon o ohranitvi energije ne prepoveduje procesov, ki se eksperimentalno ne dogajajo: - segrevanje bolj vročega telesa s hladnejšim; - spontano nihanje nihala iz stanja mirovanja; - zbiranje peska v kamen, itd. Procesi v naravi imajo določeno smer. Ne morejo spontano teči v nasprotno smer. Vsi procesi v naravi so nepovratni.
4. 4. Primeri ireverzibilnih procesov Pri difuziji spontano pride do izenačevanja koncentracij. Obratni proces sam po sebi ne bo nikoli nastopil: mešanica plinov, na primer, se nikoli ne bo spontano ločila na svoje sestavne dele. Toplotna prevodnost Ireverzibilen je tudi proces pretvorbe mehanske energije v notranjo energijo med neelastičnimi udarci ali trenjem.
5. 5. Navedimo še en primer: Nihanje nihala, odmaknjenega iz ravnotežnega položaja Zaradi dela sil trenja se mehanska energija nihala zmanjša, temperatura nihala in okoliškega zraka (in s tem njuna notranja energija). ) nekoliko poveča. Energijsko sprejemljiv je tudi obraten proces, ko se amplituda nihanja nihala poveča zaradi ohlajanja samega nihala in okolice. Toda takega procesa nikoli ne opazimo. Mehanska energija se spontano spremeni v notranjo energijo, ne pa obratno. V tem primeru se energija urejenega gibanja telesa kot celote pretvori v energijo neurejenega toplotnega gibanja molekul, ki ga sestavljajo.
6. 6. »Puščica časa« in problem ireverzibilnosti v naravoslovju Eden glavnih problemov v klasična fizika dolgo je ostal problem nepovratnosti resničnih procesov v naravi. Skoraj vsi resnični procesi v naravi so nepovratni: to je dušenje nihala in evolucija zvezde. človeško življenje. Nepovratnost procesov v naravi tako rekoč določa smer na časovni osi iz preteklosti v prihodnost. Angleški fizik in astronom A. Eddington je to lastnost časa figurativno poimenoval »puščica časa«.
7. 7. Drugi zakon termodinamike nakazuje smer možnih energijskih transformacij in s tem izraža ireverzibilnost procesov v naravi. Ugotovljeno je bilo z neposredno posplošitvijo eksperimentalnih dejstev.
8. 8.  Formulacija R. Clausiusa: nemogoče je prenesti toploto iz hladnejšega sistema v bolj vročega, če ni hkratnih sprememb v obeh sistemih ali okoliških telesih. Formulacija W. Kelvina: nemogoče je izvesti takšno periodično proces, katerega edini rezultat bi bila proizvodnja dela zaradi toplote, odvzete iz enega vira.
9. 9. Clausius Rudolf (1822 -1888) Clausius je prispeval temeljno delo na področju molekularno kinetične teorije toplote. Clausiusovo delo je prispevalo k uvedbi statističnih metod v fiziko. Clausius je pomembno prispeval k teoriji elektrolize. Teoretično je utemeljil Joule-Lenzov zakon, razvil teorijo polarizacije dielektrikov, na podlagi katere je ugotovil razmerje med dielektrično konstanto in polarizabilnostjo.
10. 10. W. Kelvin (1824-1907) William Kelvin je avtor številnih teoretičnih del v fiziki, proučeval je pojave električni tok, dinamična geologija. Kelvin je skupaj z Jamesom Joulom izvajal poskuse ohlajanja plinov in oblikoval teorijo realnih plinov. Njegovo ime je dobila absolutna termodinamična temperaturna lestvica.
11. 11. Problem ireverzibilnosti procesov v naravi V bistvu so vsi procesi v makrosistemih ireverzibilni. Postavlja se temeljno vprašanje: kaj je razlog za nepovratnost? To je videti še posebej nenavadno, če pomislimo, da so vsi zakoni mehanike v času reverzibilni. In vendar nihče ni videl, da bi se razbita vaza spontano opomogla od drobcev, če bi jo najprej posneli in pogledali v nasprotni smeri, v resnici pa ne tudi zakon termodinamike postane skrivnosten. Rešitev tega kompleksen problem prišel z odkritjem nove termodinamične količine - entropije - in razkritjem njenega fizičnega pomena.
12. 12. Entropija je merilo neurejenosti sistema, sestavljenega iz številnih elementov. Zlasti v statistični fiziki je merilo verjetnosti pojava katerega koli makroskopskega stanja.
13. 13. Realnost ireverzibilnih procesov Številni pogosto opaženi procesi so nepovratni: poskusite vreči kamen v vodo - vedno boste videli koncentrične kroge-valove, ki se odmikajo od mesta, kjer udari v vodo, in se nikoli ne zbližajo s tem mestom. V kemiji so primeri ireverzibilnih procesov reakcije, ki se vedno zgodijo s povečanjem entropije. V biologiji se življenje vedno začne z rojstvom, nadaljuje z mladostjo, zrelostjo in starostjo ter konča s smrtjo, in ne samo obratni razvoj živih organizmov nikoli. zgodi, vendar se tudi ta proces nikoli ne ustavi. V astronomiji so to zvezde, ki postopoma bledijo ali so podvržene gravitacijskemu kolapsu.
14. 14. Hvala za pozornost!

• Drugi zakon termodinamike navaja dejstvo ireverzibilnosti procesov v naravi, vendar tega ne pojasnjuje. To razlago lahko dobimo samo na podlagi molekularno-kinetične teorije in še zdaleč ni enostavna.

Protislovje med reverzibilnostjo mikroprocesov in ireverzibilnostjo makroprocesov

Ireverzibilnost makroprocesov je videti paradoksalna, saj so vsi mikroprocesi reverzibilni v času. Enačbe gibanja posameznih mikrodelcev, tako klasične kot kvantne, so časovno reverzibilne, saj ne vsebujejo tornih sil, odvisnih od hitrosti.

Trenje je makroskopski učinek interakcije veliko telo z ogromnim številom okoljskih molekul in sam pojav te sile zahteva razlago. Sile, s katerimi mikrodelci medsebojno delujejo (predvsem elektromagnetne sile), so časovno reverzibilne. Maxwellove enačbe, ki opisujejo elektromagnetne interakcije, se ne spremenijo, če t zamenjamo z -t.

Če vzamete najpreprostejši model plin - zbirka elastičnih kroglic, bo plin kot celota kazal določeno usmerjeno obnašanje. Na primer, če je stisnjen v polovico posode, se bo začel širiti in zasedel celotno posodo. Ne bo se spet skrčil. Enačbe gibanja vsake molekule-krogle so časovno reverzibilne, saj vsebujejo le sile, ki so odvisne od razdalje in se pojavijo ob trku molekul.

Naloga torej ni samo razložiti izvor ireverzibilnosti, temveč tudi uskladiti dejstvo reverzibilnosti mikroprocesov z dejstvom ireverzibilnosti makroprocesov.

Zasluge za iskanje temeljno pravilnega pristopa k reševanju tega problema pripadajo Boltzmannu. Res je, da nekateri vidiki problema nepovratnosti še niso dobili celovite rešitve.

Vsakdanji primer nepovratnosti

Naj navedemo preprost vsakdanji primer, ki je kljub svoji trivialnosti neposredno povezan z Boltzmannovo rešitvijo problema ireverzibilnosti.

Recimo, da se odločite začeti v ponedeljek novo življenje. Nepogrešljiv pogoj za to je običajno idealen ali skoraj idealen red na pisalna miza. Vse predmete in knjige postavite na strogo določena mesta in na vaši mizi je stanje, ki ga lahko upravičeno imenujemo stanje "reda".

Kaj bo čez čas, se ve. Pozabite postaviti predmete in knjige na strogo določena mesta, na mizi pa vlada kaos. Ni težko razumeti, zakaj se to dogaja. Stanje »reda« ustreza samo eni določeni razporeditvi objektov, stanje »kaosa« pa neprimerljivo večjemu številu. In takoj, ko začnejo predmeti zavzemati poljubne položaje, ki jih ne nadzoruje vaša volja, se na mizi pojavi bolj verjetno stanje kaosa, ki se veliko bolj zaveda veliko število porazdelitev predmetov na mizi.

Načeloma so ravno to razmišljanja, ki jih je predstavil Boltzmann, da bi razložil ireverzibilnost makroprocesov.

Mikroskopska in makroskopska stanja

Najprej je treba razlikovati med makroskopskim stanjem sistema in njegovim mikroskopskim stanjem.

Za makroskopsko stanje je značilno majhno število termodinamičnih parametrov (tlak, prostornina, temperatura itd.), Pa tudi mehanske količine, kot so položaj središča mase, hitrost središča mase itd. makroskopske količine, ki označujejo državo kot celoto in so praktičnega pomena.

Mikroskopsko stanje je v splošnem primeru označeno z določitvijo koordinat in hitrosti (ali momentov) vseh delcev, ki sestavljajo sistem (makroskopsko telo). To je neprimerljivo podrobnejša lastnost sistema, katere poznavanje za opisovanje procesov z makroskopskimi telesi sploh ni potrebno. Poleg tega je poznavanje mikrostanja praktično nedosegljivo zaradi ogromnega števila delcev, ki sestavljajo makrotelesa.

V zgornjem vsakdanjem primeru s predmeti na mizi lahko uvedemo pojma mikro- in makrostanja. Mikrostanje ustreza določeni razporeditvi predmetov, makrostanje pa ustreza oceni situacije kot celote: bodisi "red" ali "kaos".

Povsem očitno je, da lahko določeno makrostanje realizira ogromno število različnih mikrostanj. Tako na primer prehod ene molekule iz določene točke v prostoru v drugo točko ali sprememba njene hitrosti zaradi trka spremeni mikrostanje sistema, seveda pa ne spremeni termodinamičnih parametrov in , torej makrostanje sistema.

Zdaj pa uvedimo hipotezo, ki ni tako očitna kot prejšnje trditve: vsa mikroskopska stanja zaprtega sistema so enako verjetna; nobeden od njih ni izpostavljen ali zavzema prevladujoč položaj. Ta predpostavka je pravzaprav enakovredna hipotezi o kaotični naravi toplotnega gibanja molekul.

Verjetnost stanja

Sčasoma se mikrostanje nenehno zamenjujejo. Čas, ko sistem ostane v določenem makroskopskem stanju, je očitno sorazmeren s številom mikrostanj Z 1, ki realizirajo to stanje. Če Z označuje skupno število mikrostanj sistema, potem je verjetnost stanja W določena na naslednji način:

Verjetnost makroskopskega stanja je enaka razmerju med številom mikrostanj, ki realizirajo makrostanje, in skupnim številom možnih mikrostanj.

Prehod sistema v najbolj verjetno stanje

Večji ko je Z 1, večja je verjetnost danega makrostanja in dlje bo sistem v tem stanju. Tako se razvoj sistema dogaja v smeri prehoda iz malo verjetnih stanj v bolj verjetna stanja. Prav to je povezano z ireverzibilnostjo poteka makroskopskih procesov, kljub reverzibilnosti zakonov gibanja posameznih delcev. Obratni proces ni nemogoč, le malo verjeten je. Ker so vsa mikrostanja enako verjetna, načeloma lahko nastane makrostanje, ki ga realizira majhno število mikrostanj, vendar je to izjemno redek dogodek. Ne bi smeli biti presenečeni, če jih nikoli ne vidimo. Najbolj verjetno stanje je toplotno ravnovesje. Ustreza največjemu številu mikrostanj.

Zlahka je videti zakaj mehanska energija spontano preide v notranje. Mehansko gibanje telesa (ali sistema) je urejeno gibanje, ko se vsi deli telesa gibljejo na enak ali podoben način. Urejeno gibanje ustreza majhnemu številu mikrostanj v primerjavi z neurejenim toplotnim gibanjem. Zato je malo verjetno stanje urejeno mehansko gibanje seveda spremeni v naključno toplotno gibanje, ki ga realizira veliko večje število mikrostanj.

Manj očiten je proces prenosa toplote z vročega telesa na hladno. Toda tudi tu je bistvo nepovratnosti enako.

Na začetku prenosa toplote sta dve skupini molekul: molekule z večjo povprečno kinetično energijo v vročem telesu in molekule z nižjo povprečno kinetično energijo v hladnem. Ko se na koncu procesa vzpostavi toplotno ravnovesje, se zdi, da vse molekule pripadajo isti skupini molekul z enako povprečno kinetično energijo. Bolj urejeno stanje z delitvijo molekul na dve skupini preneha obstajati.

Torej je nepovratnost procesov posledica dejstva, da so neravnovesna makroskopska stanja malo verjetna. Ta stanja nastanejo naravno kot posledica evolucije vesolja ali pa jih človek ustvari umetno. Na primer, zelo neravnovesna stanja dobimo s segrevanjem delovne tekočine toplotnega stroja na temperature, ki so več sto stopinj višje od temperature okolja.

Razširitev "plina" štirih molekul

Oglejmo si preprost primer, ki nam omogoča izračun verjetnosti različnih stanj in jasno pokaže, kako povečanje števila delcev v sistemu povzroči, da procesi postanejo nepovratni, kljub reverzibilnosti zakonov gibanja mikrodelcev.

Imejmo "plin" v posodi, sestavljen iz samo štirih molekul. Sprva so vse molekule v levi polovici posode, ločene s pregrado od desne polovice (slika 5.12, a). Odstranimo pregrado in "plin" se bo začel širiti in zasedel celotno posodo. Poglejmo, kakšna je verjetnost, da se bo “plin” ponovno stisnil, torej da se bodo molekule spet zbrale v eni polovici posode.

riž. 5.12

V našem primeru bo makrostanje označeno z navedbo števila molekul v eni polovici posode, ne glede na to, katere molekule se nahajajo tukaj. Mikrostanja so določena s porazdelitvijo molekul po polovicah posode, kar kaže, katere molekule zasedajo dano polovico posode. Oštevilčimo molekule z 1, 2, 3, 4. Možnih je 16 različnih mikrostanj, vsa so prikazana na sliki 5.12, a - d.

Verjetnost, da se vse molekule zberejo v eni polovici (na primer levi) posode, je enaka

ker dano makrostanje ustreza enemu mikrostanju (glej sliko 5.12, a, b).

Verjetnost, da bodo molekule enakomerno porazdeljene, bo 6-krat večja:

ker to makrostanje ustreza šestim mikrostanjem (glej sliko 5.12, d).

Verjetnost, da bodo v eni polovici posode (na primer levi) tri molekule (v drugi pa ena molekula), je enaka (glej sliko 5.12, c, d)

Večino časa bodo molekule enakomerno porazdeljene med polovice posode: to je najverjetnejši pogoj.

Toda za približno dovolj dolg časovni interval opazovanja bodo molekule zasedle eno od polovic posode. Tako je proces ekspanzije reverzibilen in "plin" se po relativno kratkem času ponovno stisne.

Nepovratnost širjenja plina z velikim številom molekul

Toda ta reverzibilnost je mogoča le z majhnim številom molekul. Če število molekul postane ogromno, se rezultat bistveno spremeni. Izračunajmo verjetnost dogodka, ko se molekule po ekspanziji ponovno sestavijo v eni polovici posode, če je število molekul poljubno.

Molekule idealnega plina se praktično gibljejo neodvisno druga od druge. Za eno molekulo je verjetnost, da bo končala v levi polovici posode, očitno .

Enaka verjetnost velja za drugo molekulo. Ti dogodki so neodvisni in verjetnost, da se prva in druga molekula zbereta v levi polovici posode, je enaka produktu verjetnosti: . Za tri molekule je verjetnost, da najdemo molekule v eni polovici posode, enaka, za štiri pa - . Natančno to je vrednost verjetnosti, ki smo jo dobili s podrobnim pregledom porazdelitve molekul po vsej posodi.

Če pa vzamemo dejansko število molekul plina v 1 cm 3 pri normalnih pogojih (n ​​= 3 10 19), potem bo verjetnost, da se bodo molekule zbrale v eni polovici posode s prostornino 1 cm 3, enaka popolnoma zanemarljivo: .

Tako se samo zaradi velikega števila molekul v makrotelesih procesi v naravi izkažejo za praktično nepovratne. Načeloma so obratni procesi možni, vendar je njihova verjetnost blizu ničle. Strogo gledano proces ni v nasprotju z naravnimi zakoni, zaradi česar se bodo ob naključnem gibanju molekul vsi zbrali v eni polovici razreda, učenci v drugi polovici razreda pa se bodo zadušili. Toda v resnici se ta dogodek nikoli ni zgodil v preteklosti in se ne bo zgodil v prihodnosti. Verjetnost takega dogodka je premajhna, da bi se kdaj zgodil v celotnem obstoju vesolja trenutno stanje- približno nekaj milijard let.

Po teh ocenah je ta verjetnost približno enakega reda kot verjetnost, da bi 20.000 opic, ki kaotično udarjajo po tipkah pisalnih strojev, brez ene napake vtipkalo Vojno in mir Leva Tolstoja. Načeloma je to mogoče, vendar se v resnici ne bo nikoli zgodilo.

Puščica časa

Pri vseh procesih je izbrana smer, v kateri procesi sami potekajo iz bolj urejenega stanja v manj urejeno. Več kot je reda v sistemu, težje ga je obnoviti iz nereda. Steklo je neprimerljivo lažje razbiti, kot narediti novo in ga vstaviti v okvir. Veliko lažje je ubiti živo bitje, kot pa ga oživiti, če je to sploh mogoče. »Bog je ustvaril malo hrošča. Če jo zdrobite, bo umrla« - to je epigraf, ki ga je ameriški biokemik Szent Gyorgi zapisal svoji knjigi »Bioenergetika«.

Izbrana smer časa (»puščica časa«), ki jo zaznavamo, je očitno povezana prav s smerjo procesov v svetu.

Meje uporabnosti drugega zakona termodinamike

Verjetnost obratnih procesov prehoda iz ravnotežnih v neravnovesna stanja za makroskopske sisteme kot celoto je zelo majhna. Toda pri majhnih volumnih, ki vsebujejo majhno število molekul, postane verjetnost odstopanja od ravnotežja opazna. Takšna naključna odstopanja od ravnovesja imenujemo nihanja. Nihanja gostote plina v regijah reda valovne dolžine svetlobe pojasnjujejo sipanje svetlobe v zemeljski atmosferi in modro barvo neba. Nihanje tlaka v majhnih prostorninah pojasnjuje Brownovo gibanje.

Opazovanje nihanj služi kot najpomembnejši dokaz pravilnosti statistične teorije nepovratnosti makroprocesov, ki jo je ustvaril Boltzmann. Drugi zakon termodinamike velja samo za sisteme z ogromnim številom delcev. V majhnih količinah postanejo odstopanja od tega zakona pomembna.

"Maxwellov demon"

Zanimiv primer domnevno možne kršitve drugega zakona termodinamike je izumil Maxwell. Inteligentno bitje - "demon" - nadzoruje zelo lahek ventil v pregradi, ki ločuje dva oddelka - A in B - s plinom pri enaki temperaturi in tlaku (slika 5.13). "Demon" spremlja molekule, ki se približujejo loputi, in jo odpre samo za hitre molekule, ki se gibljejo iz predelka B v predelek A. Posledično se sčasoma plin v predelku A segreje, v predelku B pa ohladi. V tem primeru ni nobenega dela, saj je loputa praktično brez teže in zdi se, da je drugi zakon termodinamike kršen.

riž. 5.13

Vendar pa v resnici ni kršitve drugega zakona. Za delovanje mora "demon" prejeti informacije o hitrostih molekul, ki se približujejo blažilniku. Takih informacij je nemogoče pridobiti brez porabe energije.

Za pridobitev takšnih informacij je potrebno na primer usmeriti elektromagnetno sevanje na molekule in sprejeti odbite signale.

Nepovratnost procesov v naravi je povezana z željo sistemov po prehodu v najverjetnejše stanje, ki ustreza največji motnji.

Drugi zakon termodinamike navaja dejstvo ireverzibilnosti procesov v naravi, vendar tega ne pojasnjuje. To razlago lahko dobimo samo na podlagi molekularno-kinetične teorije in še zdaleč ni enostavna.

Protislovje med reverzibilnostjo mikroprocesov in ireverzibilnostjo makroprocesov

Ireverzibilnost makroprocesov je videti paradoksalna, saj so vsi mikroprocesi reverzibilni v času. Enačbe gibanja posameznih mikrodelcev, tako klasičnih kot kvantnih, so časovno reverzibilne, saj ne vsebujejo tornih sil, odvisnih od hitrosti. Sila trenja je makroskopski učinek interakcije velikega telesa z ogromnim številom molekul v okolju, sam pojav te sile pa je treba pojasniti. Sile, s katerimi mikrodelci medsebojno delujejo (predvsem elektromagnetne sile), so časovno reverzibilne. Maxwellove enačbe, ki opisujejo elektromagnetne interakcije, se pri zamenjavi ne spremenijo t na - t.

Če vzamemo najpreprostejši model plina - niz elastičnih kroglic, potem bo plin kot celota pokazal določeno smerno obnašanje. Na primer, če je stisnjen v polovico posode, se bo začel širiti in zasedel celotno posodo. Ne bo se spet skrčil. Enačbe gibanja vsake molekule-krogle so časovno reverzibilne, saj vsebujejo le sile, ki so odvisne od razdalje in se pojavijo ob trku molekul.

Naloga torej ni samo razložiti izvor ireverzibilnosti, temveč tudi uskladiti dejstvo reverzibilnosti mikroprocesov z dejstvom ireverzibilnosti makroprocesov.

Zasluge za iskanje temeljno pravilnega pristopa k reševanju tega problema pripadajo Boltzmannu. Res je, da nekateri vidiki problema nepovratnosti še niso dobili celovite rešitve.

Vsakdanji primer nepovratnosti

Naj navedemo preprost vsakdanji primer, ki je kljub svoji trivialnosti neposredno povezan z Boltzmannovo rešitvijo problema ireverzibilnosti.

Recimo, da se v ponedeljek odločite začeti novo življenje. Nepogrešljiv pogoj za to je običajno idealen ali skoraj idealen red na pisalni mizi. Vse predmete in knjige postavite na strogo določena mesta in na vaši mizi je stanje, ki ga lahko upravičeno imenujemo stanje "reda".

Kaj bo čez čas, se ve. Pozabite postaviti predmete in knjige na strogo določena mesta, na mizi pa vlada kaos. Ni težko razumeti, zakaj se to dogaja. Stanje »reda« ustreza samo eni določeni razporeditvi objektov, stanje »kaosa« pa neprimerljivo večjemu številu. In takoj, ko začnejo predmeti zasedati poljubne položaje, ki jih vaša volja ne nadzoruje, se na mizi naravno pojavi bolj verjetno stanje kaosa, ki ga realizira veliko večje število porazdelitev predmetov na mizi.

Načeloma so ravno to razmišljanja, ki jih je predstavil Boltzmann, da bi razložil ireverzibilnost makroprocesov.

Mikroskopska in makroskopska stanja

Najprej je treba razlikovati med makroskopskim stanjem sistema in njegovim mikroskopskim stanjem.

Za makroskopsko stanje je značilno majhno število termodinamičnih parametrov (tlak, prostornina, temperatura itd.), Pa tudi mehanske količine, kot so položaj središča mase, hitrost središča mase itd. makroskopske količine, ki označujejo državo kot celoto in so praktičnega pomena.

Mikroskopsko stanje je v splošnem primeru označeno z določitvijo koordinat in hitrosti (ali momentov) vseh delcev, ki sestavljajo sistem (makroskopsko telo). To je neprimerljivo podrobnejša lastnost sistema, katere poznavanje za opisovanje procesov z makroskopskimi telesi sploh ni potrebno. Poleg tega je poznavanje mikrostanja praktično nedosegljivo zaradi ogromnega števila delcev, ki sestavljajo makrotelesa.

V zgornjem vsakdanjem primeru s predmeti na mizi lahko uvedemo pojma mikro- in makrostanja. Mikrostanje ustreza določeni razporeditvi predmetov, makrostanje pa ustreza oceni situacije kot celote: bodisi "red" ali "kaos".

Povsem očitno je, da določeno makrostanje se lahko realizira z ogromnim številom različnih mikrostanj. Tako na primer prehod ene molekule iz določene točke v prostoru v drugo točko ali sprememba njene hitrosti zaradi trka spremeni mikrostanje sistema, seveda pa ne spremeni termodinamičnih parametrov in , torej makrostanje sistema.

Zdaj pa predstavimo hipotezo, ki ni tako očitna kot prejšnje izjave: vsa mikroskopska stanja zaprtega sistema so enako verjetna; nobeden od njih ni izpostavljen ali zavzema prevladujoč položaj. Ta predpostavka je pravzaprav enakovredna hipotezi o kaotični naravi toplotnega gibanja molekul.