Необратимость процессов в природе.

Примеры необратимых процессов

Противоречие между обратимостью микропроцессов и необратимостью макропроцессов. Необратимость макро-процессов выглядит парадоксально, потому что все микро-процессы обратимы во времени. Уравнения движения отдельных микрочастиц, как классические, так и квантовые, обратимы во времени, ибо никаких сил трения, зависящих

от скорости, не содержат. Сила трения это макроскопический эффект от взаимодействия большого тела с огромным количеством молекул окружающей среды, и появление этой силы само нуждается В объяснении. силы, посредством которых взаимодействуют микрочастицы (в первую очередь это электромагнитные силы), во времени обратимы. Уравнения Максвелла, описывающие электромагнитные взаимодействия, не меняются при замене времени t на –t.

Необратимость процессов в природе.

Примеры необратимых процессов

Если взять простейшую модель газа—совокупность упругих шариков, то газ в целом будет обнаруживать определенную направленность поведения. Например будучи сжат в половине сосуда, он начнет расширяться и займет весь сосуд. Снова он не сожмётся. Уравнения же движения каждой молекулы-шарика обратимы во времени, так как содержат только силы, зависящие от расстояний и проявляющиеся при столкновении молекул.

Таким образом, задача состоит не только в объяснении происхождения необратимости, но и в согласовании факта обратимости микропроцессов с фактом необратимости макропроцессов.

Необратимость процессов в природе.

Примеры необратимых процессов

Заслуга в нахождении принципиально правильного подхода к решению этой проблемы принадлежит Больцману. Правда, некоторые аспекты проблемы необратимости до сих пор не получили исчерпывающего решения.

Житейский пример необратимости. Приведем простой житейский пример, имеющий прямое отношение к решению проблемы необратимости Больцманом.

Необратимость процессов в природе.

Примеры необратимых процессов

Допустим, с понедельника вы решили начать новую жизнь. Непременным условием этого обычно является идеальный или близкий к идеальному порядок на письменном столе. Вы расставляете все предметы и книги на

строго определенные места, и у вас на столе царит состояние, которое с полным правом можно назвать состоянием «порядок».

Необратимость процессов в природе.

Примеры необратимых процессов

Что произойдет с течением времени, хорошо известно. Вы забываете ставить предметы и книги на строго определенные места, и на столе воцаряется состояние хаоса. Нетрудно понять, с чем это связано.

Состоянию «порядок» отвечает только одно определенное расположение предметов, в состоянии) «хаос» — несравнимо большее числом. И как только предметы начинают занимать произвольные положения, не контролируемые вашей волей, на столе само собой возникает более вероятное состояние хаоса, реализуемое гораздо большим числом вариантов распределения предметов на столе.

Необратимость процессов в природе.

Примеры необратимых процессов

В принципе именно такие соображения были высказаны Больцманом для объяснения необратимости макропроцессов.

Микроскопическое и макроскопическое состояния. Прежде всего нужно различать макроскопическое и микроскопические состояния системы.

Микроскопическое состояние характеризуется немногим числом термодинамических параметров (давлением, объемом, температурой и др.). Именно макроскопические величины, характеризующие (состояние системы в целом, имеют практическое значение.

Необратимость процессов в природе.

Примеры необратимых процессов

Микроскопическое состояние характеризуется в общем случае заданием координат и скоростей (или импульсов) всех частиц, составляющих систему (макроскопическое тело). Это несравненно более детальная характеристика системы, знание которой совсем не требуется для описания процессов с макроскопическими телами. Более того знание микросостояния системы фактически недостижимо из-за огромного числа частиц, слагающих ее.

Необратимость процессов в природе.

Примеры необратимых процессов

В приведенном выше житейском примере с предметами на столе можно ввести понятие микро- и макросостояний.

Микросостоянию отвечает какое-то одно определенное расположение предметов, а микросостоянию — оценка ситуации в целом: либо «порядок», либо «хаос». Вполне очевидно, что определенное макросостояние может быть реализовано огромным числом различных микросостояний. Так, переход одной молекулы из данной точки пространства в другую точку или изменение ее скорости в результате столкновения изменяет микросостояние системы, но, конечно, не меняет термодинамических параметров и, следовательно, макросостояния системы.

Необратимость процессов в природе.

Примеры необратимых процессов

Теперь введем гипотезу. не столь очевидную, как предшествующие утверждения: все микроскопические состояния изолированной системы равновероятны; ни одно из них не выделено, не занимает преимущественного положения. Это предположение фактически эквивалентно гипотезе о хаотичном характере теплового движения молекул.

Необратимость процессов в природе.

Примеры необратимых процессов

Вероятность состояния. С течением времени микросостояния непрерывно сменяют друг друга. Время пребывания системы в определенном макроскопическом состоянии пропорционально, очевидно, числу микросостояний , которые реализуют данное состояние. Если через Z обозначить полное число микросостояний системы, то вероятность состояния W можно определить так:

.