8.3.12. Энтропия и неупорядоченность

В природе совершается много событий и ситуаций, характеризующихся неупорядоченностью. Для характеристики возможности появления некоторого события в конкретных условиях вводится понятие вероятности W, определяющей число способов, которыми может быть реализовано данное состояние макроскопической системы или число микросостояний. Энтропия S системы и термодинамическая вероятность связаны между собою формулой Больцмана:

S = klnW, (8.57)

где k  постоянная Больцмана.

Таким образом, энтропию можно рассматривать как меру вероятности состояния термодинамической системы, а именно: энтропия есть мера неупорядоченности системы. Чем больше число микросостояний, реализуемых данным макросостоянием, тем больше энтропия. В изолированной системе, в которой проходят необратимые процессы, энтропия возрастает (dS0); переход изолированной системы к состоянию равновесия характеризуется максимальной энтропией и это состояние является наиболее вероятным.

Рассмотрим такой пример: пусть в сумке находятся 100 шариков, из которых 50  черного цвета, а 50  белого. Вам предлагается вытянуть один шарик, записать его цвет и положить в сумку. В результате вынимания возможны такие комбинации и последовательность цветов шариков:

Возможные комбинации цветов	Возможные последовательности цветов	Количество комбинаций
Все черные	ЧЧЧЧ	1
Один белый, три черных	ЧЧЧБ; ЧЧБЧ; ЧБЧЧ; БЧЧЧ	4
Два белых, два черных	ЧЧББ; ЧБЧБ; БЧЧБ; ЧББЧ; БЧБЧ; ББЧЧ	6
Три белых, один черный	БББЧ; ББЧБ; БЧББ; ЧБББ	4
Все белые	ББББ	1

Итак, наиболее вероятною является ситуация, отвечающая вытягиванию двух черных и двух белых шариков; она описывает неупорядоченное состояние системы с максимальной энтропией. Меньшей вероятностью характеризуется ситуация с вытягиванием четырех черных или четырех белых шариков; это состояние является упорядоченным и характеризуется минимальной энтропией.

Таким образом, энтропия характеризует переход системы из упорядоченного к неупорядоченному состоянию.

Контрольные вопросы и задания

1. Пояснить принципы создания температурных шкал.

2. Охарактеризовать типы термодинамических систем. Каковы признаки изолированной, замкнутой и открытой термодинамических систем?

3. Что такое термодинамические параметры? Термодинамический процесс?

4. Дать определение внутренней энергии.

5. Что называют теплоемкостью тела? Удельной теплоемкостью вещества?

6. Дать определение работы; теплоты.

7. Сформулировать первый закон термодинамики.

8. Охарактеризовать пути теплообмена между термодинамической системой и внешними телами.

9. Из чего состоит тепловой двигатель? От чего зависит коэффициент полезного действия теплового двигателя?

10. Сформулировать второй закон термодинамики.

11. Какие процессы называют обратимыми? необратимыми?

12. Дать определение энтропии.

13. Охарактеризовать основные тенденции изменения энтропии.