Подібно до того, як в першому початку термодинаміки вводиться функція стану - внутрішня енергія, у другому початку - функція стану, що отримала назву ентропія (S) (від грецького entropia - поворот, перетворення). Розгляд зміни цієї функції призвело до поділу всіх процесів на дві групи: оборотні та необоротні (мимовільні) процеси.

процес називається оборотним, Якщо його можна провести спочатку в прямому, а потім у зворотному напрямку і так, що ні в системі, ні в навколишньому середовищу не залишиться ніяких змін. Повністю оборотний процес - абстракція, Але багато процесів можна вести в таких умовах, щоб їх відхилення від оборотності було досить мало. Для цього необхід мо, щоб в кожній своїй нескінченно малої стадії стан системи, в якій цей процес відбувається, відповідало б стану рівноваги.

стан рівноваги - особливий стан термодинамічної системи, в яке вона переходить в результаті оборотного або незворотного процесів і може залишатися в ньому нескінченно довго. Реальні процеси можуть наближатися до оборотних, але для цього вони повинні відбуватися повільно.

процес називається незворотним (природним, спонтанним, мимовільним), Якщо він супроводжується розсіюванням енергії, т. Е. Рівномірним розподілом між усіма тілами системи в результаті процесу теплопередачі.

Як приклади незворотних процесів можуть бути названі такі:

замерзання переохолодженої рідини;

розширення газу в Вакуумований простір;

дифузія в газовій фазі або в рідини.

Систему, в якій стався необоротний процес, можна повернути в початковий стан, але для цього над системою потрібно зробити роботу.

До незворотних процесів відноситься більшість реальних процесів, так як вони завжди супроводжуються роботою проти сил тертя, в результаті чого відбуваються некорисні енерговитрати, що супроводжуються розсіюванням енергії.

Для ілюстрації понять розглянемо ідеальний газ, що знаходиться в циліндрі під поршнем. Нехай початковий тиск газу Р 1 при його обсязі V 1 (рис. 4.1).

Тиск газу врівноважено насипаним на поршень піском. Сукупність рівноважних станів описується уравненіемpV \u003d const і графічно зображується плавною кривою (1).

Якщо з поршня зняти кілька піску, то тиск газу над поршнем різко знизиться (від А до В) лише після чого відбудеться збільшення обсягу газу до рівноважної величини (від В до С). Характер цього процесу - ламана лінія 2. Ця лінія характеризує залежність P \u003d f (V) при необоротний процес.

Мал. 4.1. Залежність тиску газу від його об'єму при оборотному (1) і незворотному процесах (2, 3).

З малюнка видно, що при оборотному розширенні газу здійснюються їм робота (площа під плавною кривою 1) більше, ніж при будь-якому незворотному його розширенні.

Таким чином, будь-який термодинамічний процес характеризується максимально можливою величиною роботи, якщо він відбувається в оборотному режимі. Аналогічного висновку можна прийти, якщо розглянути процес стиснення газу. Тільки слід мати на увазі, що в цьому випадку величина роботи - негативна величина (рис. 4.1, ламана 3).

опис

Давно було помічено, що в одну і ту ж річку двічі увійти не можна. Світ навколо нас змінюється, наше суспільство змінюється, і ми самі, члени суспільства, тільки старіємо. Зміни невідворотні.
Необоротні процеси - фізичні процеси, які можуть мимовільно протікати тільки в одному напрямку - в сторону рівномірного розподілу речовини, теплоти і т. Д .; характеризуються позитивним виробництвом ентропії. У замкнутих системах незворотні процеси призводять до зростання ентропії.

Робота складається з 1 файл

Реферат з фізики

на тему: «Незворотність процесів в природі»

Роботу виконав

Ігор Рубцов

Вступ

Давно було помічено, що в одну і ту ж річку двічі увійти не можна. Світ навколо нас змінюється, наше суспільство змінюється, і ми самі, члени суспільства, тільки старіємо. Зміни невідворотні.

Необоротні процеси - фізичні процеси, які можуть мимовільно протікати тільки в одному напрямку - в сторону рівномірного розподілу речовини, теплоти і т. Д .; характеризуються позитивним виробництвом ентропії. У замкнутих системах незворотні процеси призводять до зростання ентропії.

Класична термодинаміка, що вивчає рівноважні, оборотні процеси, встановлює нерівності, які вказують можливий напрям незворотних процесів.

Необоротні процеси вивчаються термодинамікою нерівноважних процесів і статистичною теорією нерівноважних процесів. Термодинаміка незворотних процесів дає можливість знаходити для різних незворотних процесів виробництво ентропії в системі в залежності від параметрів нерівноважногостану, а також отримувати рівняння, що описують зміни в часі цих параметрів.

необоротні процеси

До незворотних процесів відносяться: процеси дифузії, теплопровідності, термодифузії, в'язкої течії, розширення газу в порожнечу і т.п.

Дифузія (від лат. Diffusio - поширення, розтікання, розсіювання), рух частинок середовища, що приводить до переносу речовини і вирівнювання концентрацій або до встановлення рівноважного розподілу концентрацій часток даного сорту в середовищі. За відсутності макроскопічного руху середовища (напр., Конвекції) дифузія молекул (атомів) визначається їх тепловим рухом (т. Н. Молекулярна дифузія). У неоднорідній системі (газ, рідина) при молекулярної дифузії за відсутності зовнішніх впливів дифузний потік (потік маси) пропорційний градієнту його концентрації. Коефіцієнт пропорційності називається коефіцієнтом дифузії. У фізиці, крім дифузії молекул (атомів), розглядають дифузію електронів провідності, дірок, нейтронів та інших частинок.

Теплопровідність, перенесення енергії від більш нагрітих ділянок тіла до менш нагрітих в результаті теплового руху і взаємодії складових його частинок. Призводить до вирівнювання температури тіла. Зазвичай кількість переносної енергії, яке визначається як щільність теплового потоку, пропорційно градієнту температури (закон Фур'є). Коефіцієнт пропорційності називають коефіцієнтом теплопровідності.

Термодифузія (термічна або теплова дифузія), дифузія, зумовлена \u200b\u200bнаявністю в середовищі (розчині, суміші) градієнта температури. При термодифузії концентрація компонентів в областях зниженою і підвищеною температур різна. Термодифузію в розчинах називають також ефектом Сорі на ім'я швейцарського вченого Ш. Сорі (Ch. Soret, 1879).

Нерівноважні процеси, фізичні процеси, в яких система проходить через нерівноважні стану. Нерівноважні процеси незворотні.

Термодинаміка нерівноважних процесів, розділ фізики, що вивчає нерівноважні процеси (дифузію, в'язкість, термоелектричні явища та ін.) На основі загальних законів термодинаміки. Для кількісного вивчення нерівноважних процесів, зокрема визначення їх швидкостей залежно від зовнішніх умов, складаються рівняння балансу маси, імпульсу, енергії, а також ентропії для елементарних обсягів системи, і ці рівняння досліджуються спільно з рівняннями розглянутих процесів. Термодинаміка нерівноважних процесів - теоретична основа дослідження відкритих систем, в т. ч. живих істот.

відкриті системи, Системи, які можуть обмінюватися з навколишнім середовищем речовиною (а також енергією і імпульсом). До відкритих систем відносяться, напр., Хімічна та біологічна системи (в т. Ч. Живі організми), в яких безперервно протікають хімічні реакції за рахунок надходять ззовні речовин, а продукти реакцій відводяться. Відкриті системи можуть перебувати в стаціонарних станах, далеких від рівноважних станів.

неравновесность систем

В абсолютно рівноважних системах ентропія досягає максимально можливу величину при даній кількості елементів. Елементи при ЕО макс. діють необмежено "вільно", незалежно від впливу інших елементів. В системі відсутня будь-яка упорядкованість.

Очевидно, абсолютного хаосу в системах не існує. Всі існуючі реально системи мають у структурі менш або більш помітний порядок і відповідну ОНГ. Чим більше система має в структурі упорядочённость, тим більше вона віддаляється від рівноважного стану. З іншого боку нерівноважні системи прагнуть рухатися в бік термодинамічної рівноваги, тобто збільшувати свою ОЕ. Якщо вони не отримують додаткову енергію або ОНГ, вони не можуть в тривалий час зберігати своє нерівноважний стан. Але рівновага може бути і динамічним, де процеси протікають в рівному обсязі в протилежні сторони. Зовні зберігається рівновага, тобто стійкість системи. Якщо швидкість таких процесів мало змінюється, то такі режими є стаціонарними, тобто відносно стабільними в часі. Швидкість процесів може змінюватися в дуже широких межах. Якщо швидкість процесів дуже маленька, то система може знаходиться в стані локального квазірівноваги, тобто удаваного рівноваги. Неравновесность систем відіграє істотну роль в їх інфообмене. Чим більше неравновесность, тим більше їх чутливість і здатність приймати інформацію і тим більше можливості саморозвитку системи.

Зростання ентропії в замкнутих системах

Ентропія спочатку була введена для пояснення закономірностей роботи теплової машини. У вузькому сенсі ентропія характеризує рівноважний стан замкнутої системи з великого числа частинок.

У звичайному розумінні рівновагу в системі означає просто хаос. Для людини максимум ентропії - це руйнування. Будь-яке руйнування збільшує ентропію.

Ентропія замкнутої системи необоротна. Але в природі повністю замкнутих систем не існує. А для відкритих нерівноважних систем точного визначення ентропії поки не відомо. Виміряти ентропію не можна. З строгих фізичних законів вона не виводиться. Ентропія вводиться в термодинаміки для характеристики незворотності що протікають в газах процесів.

Багато вчених не вважають феноменологічні закони термодинаміки законами природи, а розглядають їх як окремий випадок при роботі з газом за допомогою теплової машини. Тому не рекомендуються розширена трактування ентропії в фізиці.

З іншого боку незворотність протікають фізичних процесів і самої нашого життя - це факт. З цієї позиції цілком виправдане використання поняття ентропії в нефізичних дисциплінах для характеристики стану системи. Усе природні системи, Включаючи людський організм і людські спільноти, не є замкнутими. Відкритість системи дозволяє локальним чином зменшувати ентропію за рахунок обміну енергією.Приклади необоротних процесів. Нагріті тіла поступово остигають, передаючи свою енергію більш холодним навколишніх тіл. Зворотний процес передачі теплоти від холодного тіла до гарячого не суперечить закону збереження енергії, якщо кількість теплоти, віддане холодним тілом, дорівнює кількості теплоти, отриманого гарячим, але такий процес мимовільно ніколи не відбувається.
Інший приклад. Коливання маятника, виведеного з положення рівноваги, загасають ( ріс.13.9; 1, 2, 3, 4- послідовні положення маятника при максимальних відхиленнях від положення рівноваги). За рахунок роботи сил тертя механічна енергія маятника зменшується, а температура маятника і навколишнього повітря (а значить, і їх внутрішня енергія) злегка підвищується. Енергетично допустимо і зворотний процес, коли амплітуда коливань маятника збільшується за рахунок охолодження самого маятника і довкілля. Але такий процес ніколи не спостерігається. Механічна енергія мимоволі переходить у внутрішню, але не навпаки. При цьому енергія упорядкованого руху тіла як цілого перетворюється в енергію неупорядкованого теплового руху складають його молекул.

Загальний висновок про незворотність процесів в природі. Перехід тепла від гарячого тіла до холодного і механічної енергії у внутрішню - це приклади найбільш типових незворотних процесів. Число подібних прикладів можна збільшувати практично необмежено. Всі вони говорять про те, що процеси в природі мають певну спрямованість, що не відображену в першому законі термодинаміки. Всі макроскопічні процеси в природі протікають тільки в одному певному напрямку. У зворотному напрямку вони мимовільно протікати не можуть. Всі процеси в природі є незворотними, і найтрагічніші з них - старіння і смерть організмів.
Точне формулювання поняття незворотного процесу. Для правильного розуміння істоти незворотності процесів необхідно зробити наступне уточнення: незворотниминазиваючи ються такі процеси, які можуть мимовільно протікати лише в одному певному напрямку; в зворотному напрямку вони можуть протікати тільки при зовнішньому впливі. Так, можна знову збільшити розмах коливань маятника, підштовхнувши його рукою. Але це збільшення виникає не саме собою, а стає можливим в результаті більш складного процесу, що включає рух руки.
Математично незворотність механічних процесів виражається в тому, що рівняння руху макроскопічних тел змінюються зі зміною знака часу. Вони, як кажуть в таких випадках, не інваріантні при перетворенні t → -t. Прискорення не змінює знака при заміні t → -t. Сили, що залежать від відстаней, також не змінюють знака. Знак при заміні tна -tзмінюється у швидкості. Саме тому при здійсненні роботи силами тертя, що залежать від швидкості, кінетична енергія тіла необоротно переходить у внутрішню.
Кіно «навпаки».Яскравою ілюстрацією незворотності явищ в природі служить перегляд кінофільму в зворотному напрямку. Наприклад, стрибок у воду буде при цьому виглядати наступним чином. Спокійна вода в басейні починає вирувати, з'являються ноги, стрімко рухаються вгору, а потім і весь нирець. Поверхня води швидко заспокоюється. Поступово швидкість водолаза зменшується, і ось уже він спокійно стоїть на вишці. Те, що ми бачимо на екрані, могло б відбуватися в дійсності, якби процеси можна було звернути.
Безглуздість того, що відбувається на екрані виникає з того, що ми звикли до певної спрямованості процесів і не сумніваємося в неможливості їх зворотного течії. Але ж такий процес, як піднесення водолаза на вишку з води, не суперечить ні закону збереження енергії, ні законам механіки, ні взагалі будь-яким законам, крім другого закону термодинаміки.
Другий закон термодинаміки.Другий закон термодинаміки вказує напрямок можливих енергетичних перетворень, т. Е. Напрям процесів, і тим самим висловлює незворотність процесів в природі. Цей закон був встановлений шляхом безпосереднього узагальнення досвідчених фактів.
Є кілька формулювань другого закону, які, незважаючи на зовнішню відмінність, висловлюють, по суті, одне і те ж і тому рівноцінні.
Німецький вчений Р. Клаузіус (1822-1888) сформулював цей закон так: неможливо перевести тепло від більш холодної системи до більш гарячої при відсутності інших одночасних змін в обох системах або в навколишніх тілах.
Тут констатується досвідчений факт певної спрямованості теплопередачі: тепло само собою переходить завжди від гарячих тіл до холодних. Правда, в холодильних установках здійснюється теплопередача від холодного тіла до більш теплого, але ця передача пов'язана з іншими змінами в навколишніх тілах: охолодження досягається за рахунок роботи.
Важливість цього закону в тому, що з нього можна зробити висновок про незворотність не тільки процесу теплопередачі, але і інших процесів в природі. Якби тепло в будь-яких випадках могло мимовільно передаватися від холодних тіл до гарячих, то це дозволило б зробити оборотними і інші процеси.
Всі процеси самі протікають в одному певному напрямку. Вони незворотні. Тепло завжди переходить від гарячого тіла до холодного, а механічна енергія макроскопічних тіл - у внутрішню.
Напрямок процесів в природі вказується другим законом термодинаміки.

висновок

Підводячи підсумок всьому, що було сказано вище, відзначимо, що в міру того, як раціональна наука все глибше і глибше осягає складність організації існуючих в світі систем вона все більшою мірою усвідомлює недостатність раніше визнаних редукционистских концепцій. Пошуки джерел інформації визначальною структури і функції складних систем, призводять науку до необхідності створення телеологічного концепцій, тобто, в кінцевому рахунку, до визнання нікого організуючого начала, яке і є не що інше, як прояв волі Творця.

Основним резервуаром вільної енергії в біологічних системах є електронно-збуджені стани складних молекулярних комплексів. Ці стани безперервно підтримуються за рахунок кругообігу електронів в біосфері, джерелом якого є сонячна енергія, а основним "робочим речовиною" - вода. Частина станів витрачається на забезпечення поточного енергоресурсу організму, частина може запасатися надалі, подібно до того, як це відбувається в лазерах після поглинання імпульсу накачування.

Список літератури

1. А.Н. Матвєєв, "Молекулярна фізика"

2. Велика фізична енциклопедія

3. Канке В.А. «Основні філософські напрямки і концепції науки. Підсумки ХХ століття ».- М.: Логос, 2000..

4. Лешкевич Т.Г. «Філософія науки: традиції та новації» М.: ПРІОР, 2001. «Філософія» під. ред. Кохановського В.П. Ростов-н / Д.: Феникс, 2000.

5. О. Наумов, газета "Монолог" 2000р, N4

6. Г. Хакен, "Інформація та самоорганізація".

1. 1. Незворотність процесів в природі Виконала: учениця 10 «Б» класу Андронова Анна
2. 2. Необратімимназивается процес, которийнельзя провести впротівоположном направленіічерез все ті ж самиепромежуточние стану.
3. 3. Закон збереження енергії не забороняє, процеси, які на досвіді не відбуваються:  - нагрівання більш нагрітого телаболее холодним;  - мимовільне раскачіваніемаятніка зі стану спокою;  - збирання піску в камінь і т.д.Процесси в природі мають певну спрямованість. У зворотному напрямку мимовільно вони протікати не можуть. Всі процеси в природі необоротні.
4. 4. Приклади необоротних процессов При дифузії вирівнювання концентраційпроісходіт мимовільно. Зворотний жепроцесс сам по собі ніколи не піде: ніколи мимовільно суміш газів, наприклад, не розділиться на составляющіеее компоненти. Теплопроводность Необоротним є також процес превращеніямеханіческой енергії у внутрішню при неупругом удареілі при терті.
5. 5. Наведемо ще один прімерКолебанія маятника, виведенногоіз положення равновесія.За рахунок роботи сил тертя механіческаяенергія маятника зменшується, атемпература маятника іокружающего повітря (а значить, і їх внутрішня енергія) злегка підвищується. Енергетіческідопустім і зворотний процес, коли амплітуда колебаніймаятніка збільшується зарахунок охолодження самого маятника і навколишнього середовища. Але такий процес ніколи не спостерігається. Механічна енергія мимоволі переходить у внутрішню, але не навпаки. При цьому енергія упорядкованого руху тіла як цілого перетворюється в енергію неупорядкованого теплового руху складають його молекул.
6. 6. "Стріла часу" і проблеманеобратімості в естествознанііОдной з основних проблем в класичної фізики довгий час залишалася проблема незворотності реальних процесів в пріроде.Почті все реальні процеси в природи є незворотними: це і загасання маятника, і еволюція зірки, і людське життя. Незворотність процесів в природі як би задає напрямок на осі часу від минулого до майбутнього. Це свойствовремені англійський фізик і астроном А. Еддінгтонобразно назвав "стрілою часу".
7. 7. Другий закон термодинаміки вказує напрямок можливих енергетіческіхпревращеній і тим самим висловлює незворотність процесів в природі. Він встановлений шляхом безпосереднього узагальнення досвідчених фактів.
8. 8.  Формулювання Р.Клаузиуса: неможливо перевести тепло від більш холодної системи до більш гарячої при відсутності одночасних змін в обох системах або оточуючих телах. Формулювання У. Кельвіна: неможливо здійснити такий періодичний процес, єдиним результатом якого було б отримання роботи за рахунок теплоти, взятої від одного джерела.
9. 9. Клаузиус Рудольф (1822 р -1888 р) Клаузиусу належать основоположні роботи в області молекулярно-кінетичної теорії теплоти. Роботи Клаузиуса сприяли введенню статистичних методів у фізику. Клаузиус внѐс важливий внесок в теорію електролізу Теоретично обгрунтував закон Джоуля - Ленца, розробив теорію поляризації діелектриків, на основі якої встановив співвідношення між діелектричною проникністю і поляризуемостью.
10. 10. У.Кельвін (1824-1907) Вільям Кельвін є автором багатьох теоретичних робіт з фізики, він вивчав явища електричного струму, динамічної геології. Разом з Джеймсом Джоулем Кельвін проводив досліди над охолодженням газів і сформулював теорію дійсних газів. Його ім'я отримала абсолютна термодинамічна температурна шкала.
11. 11. Проблема незворотності процесів в пріродеПо суті всі процеси в макросистемах є незворотними. Виникає принципове питання: у чому причина незворотності? Це виглядає особливо дивно, якщо врахувати, що всі закони механіки оборотні в часі. І тим не менше, ніхто не бачив, щоб, наприклад, розбилася ваза мимовільно відновилася з осколков.Етот процес можна спостерігати, есліпредварітельно знявши на плівку, переглянути еѐ в зворотному напрямку, але ніяк не в действітельності.Загадочнимі стають і заборони, що встановлюються другим началомтермодінамікі .Рішення цієї складної проблеми прішлос відкриттям нової термодинамічної величини -ентропіі -і розкриттям еѐфізіческого сенсу.
12. 12. Ентропія- міра безладу системи, що складається з багатьох елементів. Зокрема, в статистичній фізиці - міра ймовірності здійснення будь-якого макроскопічного стану.
13. 13. Реальність необоротних процессовМногіе часто спостерігаються процеси є незворотними: спробуйте кинути камінь в воду - Ви всегдаувідіте розходяться від місця його попадання в воду концентріческіеокружності-хвилі і ніколи - сходяться до цього місця. У хімії приклади незворотних процесів - це реакції, що йдуть завжди з підвищенням ентропіі.В біології -жизнь завжди починається з народження, продолжаетсяюностью, зрілістю і старістю і закінчується смертю, і ніколи не відбувається не тільки зворотного розвитку живихорганізмів, а й навіть зупинки цього процесу. В астрономії - це зірки, поступово угасающіеілі схильні гравітаційному колапсу.
14. 14. Спасибі за увагу!

• Другий закон термодинаміки констатує факт незворотності процесів в природі, але не дає йому ніякого пояснення. Це пояснення може бути отримано тільки на основі молекулярно-кінетичної-ської теорії, і воно є далеко не простим.

Протиріччя між оборотністю микропроцессов і необоротністю макропроцесів

Незворотність макропроцесів виглядає парадоксально, тому що все мікропроцеси оборотні в часі. Рівняння руху окремих мікрочастинок, як класичні, так і квантові, оборотні в часі, тому що ніяких сил тертя, що залежать від швидкості, не містять.

Сила тертя - це макроскопічний ефект від взаємодії великого тіла з величезною кількістю молекул навколишнього середовища, і поява цієї сили саме потребує пояснення. Шлях, яким взаємодіють мікрочастинки (в першу чергу це електромагнітні сили), за часом оборотні. Рівняння Максвелла, що описують електромагнітні взаємодії, не змінюються при заміні t на -t.

Якщо взяти найпростішу модель газу - сукупність пружних кульок, то газ в цілому буде виявляти певну спрямованість поведінки. Наприклад, будучи стиснутий в половині судини, він почне розширюватися і займе весь посудину. Знову він не стиснеться. Рівняння ж руху кожної молекули-кульки оборотні за часом, так як містять тільки сили, що залежать від відстаней і проявляються при зіткненні молекул.

Таким чином, завдання полягає не тільки в поясненні походження незворотності, але і в узгодженні факту оборотності микропроцессов з фактом незворотності макропроцесів.

Заслуга в знаходженні принципово правильного підходу до вирішення цієї проблеми належить Больцману. Правда, деякі аспекти проблеми незворотності до сих пір не отримали вичерпного рішення.

Життєвий приклад незворотності

Наведемо простий життєвий приклад, що має, не дивлячись на свою тривіальність, пряме відношення до вирішення проблеми незворотності Больцманом.

Припустимо, з понеділка ви вирішили почати нове життя. Неодмінною умовою цього зазвичай є ідеальний або близький до ідеального порядок на письмовому столі. Ви розставляєте всі предмети і книги на строго певні місця, і у вас на столі панує стан, яке з повним правом можна назвати станом «порядок».

Що станеться з плином часу, добре відомо. Ви забуваєте ставити предмети і книги на строго певні місця, і на столі запановує стан хаосу. Неважко зрозуміти, з чим це пов'язано. Станом «порядок» відповідає тільки одне певне розташування предметів, а станом «хаос» - незрівнянно більше число. І як тільки предмети почнуть займати довільні положення, що не контрольовані вашою волею, на столі само собою виникає більш ймовірне стан хаосу, що реалізовується набагато великим числом розподілів предметів на столі.

В принципі саме такі міркування були висловлені Больцманом для пояснення незворотності макропроцесів.

Мікроскопічна та макроскопічне стану

Потрібно перш за все розрізняти макроскопическое стан системи і її мікроскопічне стан.

Макроскопічну стан характеризується трохи числом термодинамічних параметрів (тиском, обсягом, температурою і ін.), А також такими механічними величинами, як положення центру мас, швидкість центру мас і ін. Саме макроскопічні величини, що характеризують стан в цілому, мають практичне значення.

Мікроскопічна стан характеризується в загальному випадку завданням координат і швидкостей (або імпульсів) всіх часток, що складають систему (макроскопічне тіло). Це незрівнянно більш детальна характеристика системи, знання якої зовсім не потрібно для опису процесів з макроскопічними тілами. Більш того, знання мікростану фактично недосяжно через величезної кількості частинок, що складають макротела.

У наведеному вище життєвому прикладі з предметами на столі можна ввести поняття мікро- і макросостояніе. Микростанів відповідає якесь одне певне розташування предметів, а макросостояніе - оцінка ситуації в цілому: або «порядок», або «хаос».

Цілком очевидно, що певне макросостояніе може бути реалізовано величезним числом різних микросостояний. Так, наприклад, перехід однієї молекули з даної точки простору в іншу точку або зміна її швидкості в результаті зіткнення змінюють Мікростан системи, але, звичайно, не змінюють термодинамічних параметрів і, отже, макросостоянія системи.

Тепер введемо гіпотезу, не настільки очевидну, як попередні твердження: все мікроскопічні стану замкнутої системи різновірогідні; жодне з них не виділено, не займає переважного положення. Це припущення фактично еквівалентно гіпотезі про хаотичному характері теплового руху молекул.

імовірність стану

З плином часу мікростану безперервно змінюють один одного. Час перебування системи в певному макроскопічному стані пропорційно, очевидно, числу микросостояний Z 1, які реалізують даний стан. Якщо через Z позначити повне число микросостояний системи, то ймовірність стану W визначиться так:

Імовірність макроскопічного стану дорівнює відношенню числа микросостояний, що реалізують макросостояніе, до повного числа можливих микросостояний.

Перехід системи до найбільш вірогідного стану

Чим більше Z 1, тим більша ймовірність даного макросостоянія і тим більший час система буде перебувати в цьому стані. Таким чином, еволюція системи відбувається в напрямі переходу від малоймовірних станів до станів більш імовірним. Саме з цим пов'язана незворотність перебігу макроскопічних процесів, незважаючи на оборотність законів, які керують рухом окремих частинок. Зворотний процес не є неможливим, він просто малоймовірний. Так як все мікростану різновірогідні, то в принципі може виникнути макросостояніе, що реалізовується малим числом микросостояний, але це надзвичайно рідкісна подія. Ми не повинні дивуватися, якщо ніколи не побачимо їх. Найбільш ймовірно стан теплового рівноваги. Йому відповідає найбільше число микросостояний.

Легко зрозуміти, чому механічна енергія мимоволі переходить у внутрішню. Механічний рух тіла (або системи) - це впорядкований рух, коли всі частини тіла переміщаються ідентично або подібним чином. Впорядкованого руху відповідає невелике число микросостояний в порівнянні з безладним тепловим рухом. Тому малоймовірне стан упорядкованого механічного руху само собою перетворюється в безладне тепловий рух, що реалізовується набагато більшим числом микросостояний.

Менш наочний процес переходу теплоти від гарячого тіла до холодного. Але і тут сутність незворотності та ж.

На початку теплообміну є дві групи молекул: молекули з більш високою середньою кінетичної енергією у гарячого тіла і молекули з низькою середньою кінетичної енергією у холодного. При встановленні теплового рівноваги в кінці процесу все молекули виявляться належать до однієї групи молекул з однієї і тієї ж середньої кінетичної енергією. Більш упорядкований стан з поділом молекул на дві групи перестає існувати.

Отже, незворотність процесів пов'язана з тим, що нерівноважні макроскопічні стану малоймовірні. Ці стани виникають або природним шляхом в результаті еволюції Всесвіту, або ж створюються штучно людиною. Наприклад, ми отримуємо сильно нерівноважні стану, нагріваючи робоче тіло теплового двигуна до температур, на сотні градусів перевищують температуру навколишнього середовища.

Розширення «газу» з чотирьох молекул

Розглянемо простий приклад, що дозволяє обчислити ймовірності різних станів і наочно показує, як збільшення числа частинок в системі призводить до того, що процеси стають незворотними, незважаючи на оборотність законів руху мікрочастинок.

Нехай у нас є «газ» в посудині, що складається всього лише з чотирьох молекул. Спочатку все молекули перебувають у лівій половині судини, відокремленої перегородкою від правої половини (рис. 5.12, а). Приберемо перегородку, і «газ» почне розширюватися, займаючи весь посудину. Подивимося, наскільки ймовірним є те, що «газ» знову стиснеться, т. Е. Молекули знову зберуться в одній половині судини.

Мал. 5.12

У нашому прикладі макросостояніе буде характеризуватися зазначенням числа молекул в одній половині судини безвідносно до того, які саме молекули тут знаходяться. Мікростану задаються розподілом молекул по половин посудини із зазначенням того, які саме молекули займають дану половину судини. Пронумеруємо молекули цифрами 1, 2, 3, 4. Можливі 16 різних микросостояний, всі вони зображені на малюнку 5.12, а - д.

Імовірність того, що всі молекули зберуться в одній половині (наприклад, лівої) судини, дорівнює

так як цього макросостояніе відповідає одне Мікростан (див. рис. 5.12, а, б).

Імовірність же того, що молекули розподіляться порівну, буде в 6 разів більше:

так як цього макросостояніе відповідає шість микросостояний (див. рис. 5.12, д).

Імовірність того, що в одній половині посудини (наприклад, лівої) буде три молекули (а в інший відповідно одна молекула), дорівнює (див. Рис. 5.12, в, г)

Велику частину часу молекули будуть розподілені по половин судини порівну: це найбільш ймовірне стан.

Але приблизно досить великого інтервалу часу спостереження молекули будуть займати одну з половин судини. Таким чином, процес розширення звернемо і «газ» знову стискається через порівняно невеликий проміжок часу.

Незворотність розширення газу з великим числом молекул

Але ця оборотність можлива лише при невеликому числі молекул. Якщо ж число молекул стає величезним, то результат істотно змінюється. Підрахуємо ймовірність події, коли молекули знову зберуться в одній половині судини після розширення, якщо число молекул довільно.

Молекули ідеального газу практично рухаються незалежно один від одного. Для однієї молекули ймовірність того, що вона виявиться в лівій половині судини, дорівнює, очевидно,.

Така ж можливість і для іншої молекули. Ці події незалежні, і ймовірність того, що перша і друга молекули зберуться в лівій половині судини, дорівнює добутку ймовірностей: . Для трьох молекул ймовірність знаходження молекул в одній половині посудини дорівнює, а для чотирьох -. Саме таке значення ймовірності ми і отримали при детальному розгляді розподілу молекул по судині.

Але якщо взяти реальне число молекул газу в 1 см 3 при нормальних умовах (n \u003d 3 10 19), то ймовірність того, що молекули зберуться в одній половині посудини об'ємом 1 см 3, буде зовсім незначна:.

Таким чином, тільки через велику кількість молекул в макротела процеси в природі виявляються практично незворотними. В принципі зворотні процеси можливі, але ймовірність їх близька до нуля. Чи не суперечить, строго кажучи, законам природи процес, в результаті якого при випадковому русі молекул всі вони зберуться в одній половині класу, а учні в іншій половині класу задихнуться. Але реально це подія ніколи не відбувалося в минулому і не відбудеться в майбутньому. Занадто мала ймовірність подібного події, щоб воно коли-небудь трапилося за весь час існування Всесвіту в сучасному стані - близько декількох мільярдів років.

За даними оцінками, ця ймовірність приблизно такого ж порядку, як і ймовірність того, що 20 000 мавп, хаотично б'ючи по клавішах друкарських машинок, надрукують без єдиної помилки «Війну і мир» Л. М. Толстого. В принципі це можливо, але реально ніколи не станеться.

стріла часу

У всіх процесах існує виділений напрям, в якому процеси йдуть самі собою від більш упорядкованого стану до менш впорядкованого. Чим більше порядок в системі, тим складніше відновити його з безладу. Незрівнянно простіше розбити скло, ніж виготовити нове і вставити його в раму. Набагато простіше вбити живу істоту, ніж повернути його до життя, якщо це взагалі можливо. «Бог створив маленьку комашку. Якщо ти її розчавити, вона помре »- такий епіграф поставив американський біохімік Сент Дьордь до своєї книги« Біоенергетика ».

Виділений напрям часу ( «стріла часу»), сприймається нами, очевидно, пов'язано саме з спрямованістю процесів в світі.

Межі застосування другого закону термодинаміки

Імовірність зворотних процесів переходу від рівноважних станів до нерівноважних для макроскопічних систем в цілому дуже мала. Але для малих обсягів, що містять невелике число молекул, ймовірність відхилення від рівноваги стає помітною. Такі випадкові відхилення від рівноваги називаються флуктуаціями. Саме флуктуаціями щільності газу в областях порядку довжини світлової хвилі пояснюється розсіювання світла в атмосфері Землі і блакитний колір неба. Флуктуації тиску в малих обсягах пояснюють броунівський рух.

Спостереження флуктуації служить найважливішим доказом правильності створеної Больцманом статистичної теорії незворотності макропроцесів. Другий закон термодинаміки виконується тільки для систем з величезним числом частинок. У малих обсягах стають істотними відхилення від цього закону.

«Демон Максвелла»

Цікавий приклад нібито можливого порушення другого закону термодинаміки придумав Максвелл. Розумна істота - «демон» - керує дуже легкої заслінкою в перегородці, що розділяє два відсіки - А і В - з газом, що знаходиться при однаковій температурі і тиску (рис. 5.13). «Демон» стежить за молекулами, підлітає до заслінки, і відкриває її тільки для швидких молекул, що рухаються з відсіку У в відсік А. В результаті з плином часу газ у відсіку А нагрівається, а у відсіку У остигає. Робота при цьому не відбувається, так як заслінка практично невагома, і другий закон термодинаміки як ніби порушується.

Мал. 5.13

Однак в дійсності порушення другого закону не відбувається. Для своєї роботи «демон» повинен отримувати інформацію про швидкостях підлітають до заслінки молекул. Отримати ж таку інформацію без витрат енергії неможливо.

Для отримання такої інформації треба, наприклад, направляти на молекули електромагнітне випромінювання і приймати відбиті сигнали.

Незворотність процесів в природі пов'язана з прагненням систем до переходу в найбільш ймовірне стан, якому відповідає максимальний безлад.

Другий закон термодинаміки констатує факт незворотності процесів в природі, але не дає йому ніякого пояснення. Це пояснення може бути отримано тільки на основі молекулярно-кінетичної теорії, і воно є далеко не простим.

Протиріччя між оборотністю микропроцессов і необоротністю макропроцесів

Незворотність макропроцесів виглядає парадоксально, тому що все мікропроцеси оборотні в часі. Рівняння руху окремих мікрочастинок, як класичні, так і квантові, оборотні в часі, тому що ніяких сил тертя, що залежать від швидкості, не містять. Сила тертя - це макроскопічний ефект від взаємодії великого тіла з величезною кількістю молекул навколишнього середовища, і поява цієї сили саме потребує пояснення. Шлях, яким взаємодіють мікрочастинки (в першу чергу це електромагнітні сили), за часом оборотні. Рівняння Максвелла, що описують електромагнітні взаємодії, не змінюються при заміні t на - t.

Якщо взяти найпростішу модель газу - сукупність пружних кульок, то газ в цілому буде виявляти певну спрямованість поведінки. Наприклад, будучи стиснутий в половині судини, він почне розширюватися і займе весь посудину. Знову він не стиснеться. Рівняння ж руху кожної молекули-кульки оборотні за часом, так як містять тільки сили, що залежать від відстаней і проявляються при зіткненні молекул.

Таким чином, завдання полягає не тільки в поясненні походження незворотності, але і в узгодженні факту оборотності микропроцессов з фактом незворотності макропроцесів.

Заслуга в знаходженні принципово правильного підходу до вирішення цієї проблеми належить Больцману. Правда, деякі аспекти проблеми незворотності до сих пір не отримали вичерпного рішення.

Життєвий приклад незворотності

Наведемо простий життєвий приклад, що має, не дивлячись на свою тривіальність, пряме відношення до вирішення проблеми незворотності Больцманом.

Припустимо, з понеділка ви вирішили почати нове життя. Неодмінною умовою цього зазвичай є ідеальний або близький до ідеального порядок на письмовому столі. Ви розставляєте всі предмети і книги на строго певні місця, і у вас на столі панує стан, яке з повним правом можна назвати станом «порядок».

Що станеться з плином часу, добре відомо. Ви забуваєте ставити предмети і книги на строго певні місця, і на столі запановує стан хаосу. Неважко зрозуміти, з чим це пов'язано. Станом «порядок» відповідає тільки одне певне розташування предметів, а станом «хаос» - незрівнянно більше число. І як тільки предмети почнуть займати довільні положення, що не контрольовані вашою волею, на столі само собою виникає більш ймовірне стан хаосу, що реалізовується набагато більшим числом розподілів предметів на столі.

В принципі саме такі міркування були висловлені Больцманом для пояснення незворотності макропроцесів.

Мікроскопічна та макроскопічне стану

Потрібно перш за все розрізняти макроскопическое стан системи і її мікроскопічне стан.

Макроскопічну стан характеризується трохи числом термодинамічних параметрів (тиском, обсягом, температурою і ін.), А також такими механічними величинами, як положення центру мас, швидкість центру мас і ін. Саме макроскопічні величини, що характеризують стан в цілому, мають практичне значення.

Мікроскопічна стан характеризується в загальному випадку завданням координат і швидкостей (або імпульсів) всіх часток, що складають систему (макроскопічне тіло). Це незрівнянно більш детальна характеристика системи, знання якої зовсім не потрібно для опису процесів з макроскопічними тілами. Більш того, знання мікростану фактично недосяжно через величезної кількості частинок, що складають макротела.

У наведеному вище життєвому прикладі з предметами на столі можна ввести поняття мікро- і макросостояніе. Микростанів відповідає якесь одне певне розташування предметів, а макросостояніе - оцінка ситуації в цілому: або «порядок», або «хаос».

Цілком очевидно, що певне макросостояніе може бути реалізовано величезним числом різних микросостояний.Так, наприклад, перехід однієї молекули з даної точки простору в іншу точку або зміна її швидкості в результаті зіткнення змінюють Мікростан системи, але, звичайно, не змінюють термодинамічних параметрів і, отже, макросостоянія системи.

Тепер введемо гіпотезу, не настільки очевидну, як попередні твердження: всі мікроскопічні стани замкнутої системи різновірогідні; жодне з них не виділено, не займає переважного положення.Це припущення фактично еквівалентно гіпотезі про хаотичному характері теплового руху молекул.