Физический смысл энтропии.

Вариант 1 (термодинамический). Из термодинамического определения энтропии следует равенство . Выражение позволяет сделать вывод, что процесс выравнивания температуры системы ( фактора интенсивности) должен сопровождаться изменением фактора емкости, роль которого выполняет энтропия.

Вариант 2 (молекулярно-кинетический). Энтропия – мера беспорядочности движения молекул. Энтропия возрастает при увеличении «беспорядочности», хаотичности движения молекул ( при нагревании, плавлении, испарении вещества , увеличении объема газов).

Вариант 3 (статистический). Статистическое определение энтропии основано на идее о том, что необратимые процессы в термодинамике вызваны переходом в более вероятное состояние, поэтому энтропию можно связать с термодинамической вероятностью состояния систем. Термодинамическая вероятность состояния систем W определяет число микросостояний, которыми может быть реализовано данное макросостояние системы. Если, например, система объема V состоит из двух равных по объему частей, содержит в целом N молекул, которые так распределены в системе, что в одной половине сосуда находится N₁ молекул, в другой половине сосуда находится N₂ = N – N₁ молекул, то число микросостояний (возможных распределений «разных» молекул), которыми реализуется такое распределение – макросостояние, определяется по формуле:

N!/ N₁!  (N – N₁)! (35)

Наибольшим числом способов реализуется равномерное распределение молекул в системе, которое соответствует равновесному состоянию. Этот вывод справедлив для систем, состоящих из большого числа частиц. Максимум энтропии также соответствует равновесному состоянию системы. Связь между энтропией и термодинамической вероятностью состояния систем была установлена Больцаном:

Формула Больцмана: (36)

(37)

где k = 1.38 10^-23 Дж/К - постоянная Больцмана (k = R / N_A), W - термодинамическая вероятность состояния системы, т.е. число микросостояний, которые соответствуют данному макросостоянию системы.

Наибольшее значение W соответствует равновесному состоянию системы. Соотношение (54) показывает, что возрастание энтропии соответствует переходу системы к состоянию с большей термодинамической вероятностью.

В реальных макросистемах небольшие отклонения от равномерного распределения частиц имеют место и происходят очень часто. Такие отклонения называют флуктуациями. Флуктуации - самопроизвольные процессы, отдаляющие систему от равновесия. С позиции второго начала термодинамики процессы, отдаляющие систему от равновесия, не могут протекать самопроизвольно. Следовательно, второе начало термодинамики не является всеобщим законом природы. Оно выполняется с высокой точностью только для систем, состоящих из большого числа частиц, т.е. является законом статистическим.