Вопрос 12

Термодинамическая вероятность. Энтропия.

В 1865 году Клаузиус ввел понятие энтропии как функции, которая подобно энергии, давлению, температуре, характеризует состояние газа. Когда к газу подводится некоторое количество теплоты ΔQ, то энтропия изменяется на величину ΔS = ΔQ/T. Больцман связал понятие энтропии с вероятностью.

Для объяснения направленности процессов в природе вводят понятие термодинамической вероятности. Термодинамической вероятностью данного состояния некоторой системы (W) называется число комбинаций отдельных элементов системы, или число микросостояний, с помощью которых реализуется это состояние. Предположение о том, что все микросостояния, соответствующие данному макросостоянию равновероятны, носит название эргодической гипотезы. Вероятность состояния (р) – это доля времени, в течение которого система находится в данном состоянии. Она пропорциональна термодинамической вероятности. Термодинамическая вероятность системы, состоящей из двух частей с термодинамическими вероятностями W₁ и W₂ равна произведению термодинамических вероятностей частей системы W = W₁W₂. Для практического анализа используют не термодинамическую вероятность, а функцию, называемую энтропией. По формуле Планка энтропия: S = klnW, где k – постоянная Больцмана. В замкнутых системах энтропия не убывает ΔS ≥ 0. Если ΔS = 0, процесс обратимый, если ΔS > 0 – необратимый. Когда энтропия системы возрастает, то соответственно усиливается беспорядок в системе. В этом случае второе начало термодинамики постулирует, что энтропия замкнутой системы постоянно возрастает. Если система изотермически получает (∆Q > 0) или отдает (∆Q < 0) некоторое количество теплоты ∆Q, то изменение энтропии ΔS ≥ Q/T (формула Клаузиуса). Для анализа неизотермических процессов переходят к интегралу ΔS ≥ ∫dQ/T. Такие системы эволюционируют в сторону увеличения в них беспорядка, хаоса и дезорганизации. Термодинамика впервые ввела в физику понятие времени в форме необратимого процесса возрастания энтропии в системе. Такое понятие эволюции системы противоречит понятию эволюции, которое лежит в основе теории Дарвина. В процессе эволюции Дарвина происходит усложнение организации, в термодинамике эволюция связывается с дезорганизацией систем. Это противоречие оставалось неразрешенным вплоть до 60х годов 20 века, пока не появилась новая неравновесная термодинамика, которая оперирует с открытыми системами, живущими за счет заимствования порядка из внешней среды.

Вопрос 13

Термодинамика и статистическая физика.

Вселенная рассматривается как совокупность взаимодействующих между собой систем. Системы бывают замкнутые, закрытые и открытые. Замкнутая система не обменивается с окружающей средой ни энергией, ни веществом. Закрытая обменивается энергией, но не обменивается веществом. Открытые не обмениваются ни веществом, ни энергией. Процессы, происходящие в этих системах, по своему характеру делятся на обратимые и необратимые. Обратимым называется процесс, который отвечает следующим условиям:

1. Его одинаково легко можно провести в двух противоположных направлениях (колебания маятника).

2. В каждом из этих направлений система проходит через одни и те же состояния.

3. После проведения прямого и обратного процесса система и окружающие ее тела возвращаются к исходному состоянию.

Все реальные процессы необратимы. В открытых системах возможны процессы, которые удовлетворяют первым двум условиям обратимости, но не удовлетворяют третьему. Эти процессы называют квазистатическими. Их можно считать практически обратимыми в рамках открытых систем, но они необратимы для всей Вселенной в целом, например, лед весной превращается в воду за счет энергии солнечного излучения, но после замерзания зимой она не отдает высвобождающуюся при этом энергию назад Солнцу. Энергия излучается в космическое пространство в инфракрасном диапазоне и растворяется в бесконечности Вселенной.

Процессы передачи тепла являются необратимыми процессами. Их изучением занимается наука, называемая термодинамикой. Если классическая механика описывает законы движения тел под воздействием внешних сил, отвлекаясь от внутренних изменений, происходящих в механических системах, то термодинамика исследует физические процессы при различных преобразованиях тепловой энергии. Но она не анализирует внутреннее строение термодинамических систем, как это делает статистическая физика, рассматривая теплоту как беспорядочное движение огромного числа молекул. Термодинамика строится на основе фундаментальных принципов (начал), которые являются обобщением многочисленных наблюдений. Обоснование законов термодинамики, их связь с законами движения частиц, дается статистической физикой.