Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Фізика (Чоплан П.П

.).pdf
Скачиваний:
520
Добавлен:
06.02.2016
Размер:
8.76 Mб
Скачать

У виразах (7.26) і (7.27) один доданок спільний, тому

( ^ ) J ^

= ( C ) t e

(7.28)

1

1

 

Із виразу (7.28) видно, що ентропія системи при оборотному про­ цесі не залежить від шляху переходу з одного стану в інший. Можна показати, що при переході системи з одного стану в інший при не­

оборотному процесі сума зведених теплот

менша від зміни

ентропії dS. Для елементарного необоротного процесу

*8 > f .

(7.29)

Отже, загальний вираз другого принципу термодинаміки має такий вигляд:

ά β > ψ ,

(7.30)

де знак рівності стосується оборотних процесів, а знак нерівності — необоротних.

При переході системи з одного стану в інший ентропія може збільшуватись або зменшуватись залежно від того, чи дістає система теплоту, чи віддає її. При плавленні тіла ентропія збільшується, при кристалізації — зменшується; при випаровуванні — збільшується, при конденсації — зменшується.

Якщо система складається з кількох тіл і під час процесу ентро­

пія одного з них змінюється на Sl9 другого на AS2,

третього на

AS3 і т. д., то зміна ентропії системи буде

 

A S = f )ASi.

(7.31)

І=1

 

Ентропія є величиною адитивною, тобто ентропія системи дорів­ нює алгебраїчній сумі ентропій тіл, які входять до складу системи. Звідси випливає, що під час процесу зміна ентропії може дорівнюва­ ти нулю, тобто ентропія системи може залишатися сталою. Припус­ тімо, що система повністю ізольована. Тоді вона ізольована і в тепло­ вому відношенні, теплообміну немає, тобто δQ = 0. Якщо в цій сис­ темі відбуваються оборотні процеси, то

= 0, dS = 0, a S = const.

(7.32)

Отже, ентропія ізольованої системи, в якій відбуваються оборотні процеси, залишається сталою. Якщо в ізольованій системі відбува-

188

ються необоротні процеси, то згідно з (7.29) dS > δΟ

Оскільки в

ізольованій системі процеси відбуваються адіабатично і 8Q = 0, то

dS> 0.

(7.33)

Тобто при необоротному процесі в ізольованій системі ентропія сис­ теми зростає.

Оскільки всі реальні процеси необоротні, ми доходимо висновку:

в замкнених системах усі процеси відбуваються в напрямі зростан­ ня ентропії. Коли настає рівновага, процеси припиняються і ентро­ пія досягає найбільшого з можливих значень. Отже, з погляду термо­ динаміки виходить, що умовою рівноваги в замкненій системі є мак­ симум ентропії. Це дало підставу Р. Клаузіусу сформулювати дру­ гий принцип термодинаміки так: ентропія будь-якої ізольованої сис­ теми прямує до максимуму.

Якщо закон зростання ентропії (другий принцип) вказує на на­ прям перебігу процесів, то закон збереження енергії (перший прин­ цип) вказує на те, як має відбуватися той чи інший процес.

Другий принцип стверджує, що в усіх ізольованих системах ент­ ропія залишається сталою при оборотних процесах або збільшується при необоротних. Оскільки повністю оборотні процеси є граничним ідеалізованим випадком, то фактично в усіх замкнених системах ентропія зростає, в чому виявляється наближення системи до термо­ динамічної рівноваги.

Слід зазначити, що зміни в системі у напрямі статистичної рівно­ ваги властиві тільки ізольованим системам. Якщо система незамкнена, то в ній не може настати статистична рівновага. Наприклад, життя на Землі постійно розвивається, і живі організми не виявляють тен­ денції до переходу в стан з максимальною ентропією. Проте це не означає, що процеси в організмах суперечать другому закону термо­ динаміки або організми є «антиентропійними» системами. Другий принцип з його вимогою про необхідність статистичної рівноваги можна застосовувати лише до замкнених систем, організми ж є незамкненими, або відкритими, системами. Вони постійно взаємоді­ ють із навколишнім середовищем, дістаючи від нього продукти хар­ чування, повітря, світло, теплоту. Щодо таких систем другий прин­ цип не містить у собі жодних тверджень. Якщо ж організм повністю ізолювати від навколишнього середовища і перетворити його в замк­ нену систему, то зрозуміло, що без повітря і обміну речовин він ду­ же швидко перейде в стан термодинамічної рівноваги з середови­ щем. Отже, тенденція до дезорганізації і невпорядкованого руху превалює в замкнених системах, тоді як у незамкнених системах, для яких характерний високий рівень організації, можливий як зав­ годно довго впорядкований рух і розвиток по висхідній лінії. Такі

189

системи прийнято характеризувати негентропією, яка за фізичною суттю зв’язана з ентропією і для відкритих систем також зростає з часом.

7.10. Статистичний зміст другого принципу термодинаміки

На відміну від першого другий принцип термодинаміки має ста­ тистичну основу. Явища мікросвіту (зіткнення молекул, теплове ви­ промінювання атомів) підлягають закону розподілу випадкових подій, так званому закону великих чисел; це виявляється в нерівноцінності теплоти і роботи, або, що те саме, в неможливості некомпенсованого перетворення теплоти в роботу.

Другому принципу не підлягає одна або кілька молекул, бо до однієї (кількох) молекули не можна застосувати закон великих чисел.

Такі поняття, як теплота, температура, ентропія, мають фізич­ ний зміст тільки щодо досить великої кількості молекул. Статистич­ ний зміст другого принципу відкрив JI. Больцман. З погляду моле- кулярно-кінетичної теорії суть другого принципу полягає у тому, що

природа прагне від станів менш імовірних до станів більш імовір­ них. Для газу найбільш імовірним станом є рівномірний розподіл молекул в усьому об’ємі, а також максвеллівський розподіл молекул за швидкостями.

Якщо в різних точках системи буде різною густина або темпера­ тура, то в такій системі відбуватиметься відповідно дифузія або тепло­ провідність. У цих випадках (при дифузії і теплопровідності) почат­ ковий стан є менш імовірним, ніж кінцевий, і процеси здійснюють­ ся від менш імовірних станів до більш імовірних, аж поки настане рівновага. Отже, статистика відповідає на запитання про напрям термодинамічних процесів так: у замкненій системі, яку залишили саму на себе, відбувається довільний перехід їі від стану менш імовір­ ного до більш імовірного. Час, за який система переходить до найбільш імовірного стану, називається часом релаксації.

Між відповідями про напрям термодинамічних процесів, які да­ ють статистика і термодинаміка, має існувати певний зв’язок. Зако­ ни термодинаміки та всі термодинамічні функції можна одержати за допомогою статистики, ґрунтуючись на уявленні про молекулярну будову речовини. Для знаходження такого зв’язку спочатку введемо поняття термодинамічної ймовірності. Якщо розглядати систему з молекул газу, то в ній молекули не відрізняються одна від одної і фізичні властивості такої системи не залежать від того, де міститься та чи інша молекула, а тільки від того, як вони розподілені. Отже, фізичні властивості газу залежать від макростану. Цими фізичними властивостями є тиск, температура, енергія, тобто всі ті величини, які вважаємо характеристиками термодинамічного стану. Термоди-

190

камінний стан із статистичного погляду є макростаном, і цьому макростану може відповідати багато мікростанів. Слід зауважити, що в загальному випадку макростан системи характеризується не тільки координатами, а й енергіями або імпульсами молекул.

Кількість мікророзподілів, яка відповідає одному макророзподілу, називатимемо термодинамічною ймовірністю цього розподілу.

Уявімо, що досліджувана система поділена на дві частини а і Ь, які характеризуються ентропією і термодинамічною ймовірністю Sa, Sb, Wa, Wb відповідно. Виходячи з властивості адитивності для ентро­ пії, ентропія системи в цілому буде

S = sa+sb.

(7.34)

Ймовірність будь-якої сукупної події дорівнює добутку ймовірно­ стей окремих подій. Наприклад, нехай імовірність виграшу по одно­ му лотерейному білету Р^у а по другому — Р2. Імовірність виграшу хоча б по одному з них Ργ + Р2, імовірність одночасного виграшу по обох білетах дорівнює добутку Р\Р2- Аналогічно термодинамічна ймовірність стану системи дорівнює добутку ймовірностей його час­ тин:

W = wawb.

(7.35)

Отже, додавання ентропій відповідає добутку термодинамічних ймовірностей. Такого типу зв’язок між величинами існує тоді, коли перша з цих величин S пропорційна логарифму другої величини W. Звідси випливає, що ентропія газу пропорційна логарифму його тер­ модинамічної ймовірності:

S = k\n W.

(7.36)

Це рівняння обґрунтував JI. Больцман. Тут k — стала Больцмана. Таким чином, чим більша ймовірність того чи іншого стану, тим більша ентропія в цьому стані. Ймовірність рівноважного стану мак­ симальна. Ентропія в цьому стані також максимальна.

Отже, другий принцип термодинаміки можна сформулювати так:

якщо замкнена система в деякий момент часу перебуває в нерівноважному макроскопічному стані, то найімовірнішим наслідком в наступні моменти часу буде монотонне зростання ентропїі систе­ ми. Ентропію називають також мірою безпорядку в системі.

Говорячи про «найімовірніший» наслідок, треба мати на увазі, що в дійсності ймовірність переходу до стану з більшою ентропією настільки переважає порівняно з імовірністю скількись помітного зменшення, що останнє фактично ніколи не спостерігалося в при­ роді.

Якщо ж ми спробуємо застосувати статистику до світу в цілому, що розглядається як єдина замкнена система, то відразу зіткнемось

191

із суперечністю між теорією і досвідом. Відповідно до результатів статистики Всесвіт мав би бути у стані повної статистичної рівнова­ ги, точніше в рівновазі мала б перебувати як завгодно велика, але скінченна його частина, час релаксації якої в усякому разі скінчен­ ний. Проте дослід свідчить, що властивості природи не мають нічого спільного з властивостями рівноважної системи. Те саме стосується і всієї доступної нашому спостереженню колосальної частини Всесвіту.

Вихід з цієї суперечності треба шукати в загальній теорії віднос­ ності. Справа в тому, що під час розгляду частини Всесвіту важливу роль починає відігравати гравітаційне поле. «Істотно, що гравітаційне поле саме не може бути включене до складу замкненої системи через те, що при цьому перетворилися б на тотожності закони збереження, які є основою статистики. Внаслідок цього в загальній теорії віднос­ ності світ як ціле має розглядатися не як замкнена система, а як система, що перебуває в змінному гравітаційному полі: у зв’язку з цим застосування закону зростання ентропії не приводить до виснов­ ку про необхідність статистичної рівноваги»*.

Отже, питання про фізичні основи закону монотонного зростання ентропії залишається відкритим.

Резюмуючи, ще раз нагадаємо загальне формулювання закону зростання ентропії: в усіх існуючих у природі замкнених системах ентропія ніколи не зменшується вона збільшується або залишаєть­ ся сталою, коли система досягає рівноважного стану.

7.11.Філософські висновки

здругого принципу термодинаміки

Другий принцип термодинаміки є узагальненням величезної кількості експериментального матеріалу і блискуче підтверджується для всіх відомих макроскопічних процесів. Проте висновки з нього різні вчені робили діаметрально протилежні. Вже автори другого принципу У. Томсон (Кельвін) і Р. Клаузіус поширили його на світ у цілому і зробили висновок про неминучу теплову смерть світу.

Закон зростання ентропії визначає напрям енергетичних перетво­ рень: усі вони в замкнених системах відбуваються лише в одному на­ прямі. Досягнення замкненою системою максимально можливої ен­ тропії відповідає досягненню в ній теплової рівноваги. Різниця темпе­ ратур, які характеризують окремі частини системи, зникає, і макро­ скопічні процеси стають неможливими. Вся властива системі енергія перетворюється в енергію невпорядкованого, хаотичного руху мікро­ частинок системи, і зворотний перехід теплоти в роботу неможливий. З цього погляду ентропія характеризує здатність енергії до перетво­

*Ландау JI. Д., Лифшиц Ε. М. Статистическая физика: В 3 ч. — М.: Наука, 1976. — Ч. 1. — С. 46.

192

рень. Це можна зрозуміти з аналізу поняття вільної енергії Ψ = U - TS, де Ψ — вільна енергія; Т — абсолютна температура; S — ентропія. В роботу може бути перетворена не вся енергія U, а лише частина її за винятком величини TS. Цю величину можна назвати зв’язаною, «зне­ ціненою* енергією, яка не може бути перетворена в роботу. Отже, чим більша ентропія, тим менша вільна енергія і тим більше знеціне­ на повна енергія, хоч якісно вона залишається тією самою.

За Клаузіусом, усі процеси в природі відбуваються в напрямі зро­ стання ентропії, що означає неухильне знецінення енергії, пов’яза­ не з її перетворенням у теплоту, і вирівнювання температур унаслі­ док теплообміну. Рано чи пізно це приведе до абсолютної теплової рівноваги у Всесвіті й, отже, до теплової смерті. Енергія хоч і збере­ жеться кількісно, але зникне в якісному відношенні. Цю думку в лаконічній формі виклав Р. Клаузіус так: енергія Всесвіту стала, ентропія Всесвіту прагне до максимуму.

Розглядаючи другий принцип термодинаміки як закон «знецінен­ ня* енергії у Всесвіті, Дж. Джине вважав, що при повному перетво­ ренні речовини у випромінювання температура світового простору підніметься лише на кілька десятків градусів, залишаючись усе-таки значно нижчою від температури рідкого повітря.

До висновків Дж. Джинса приєднався також А. Еддінгтон, який вважав, що з часом уся речовина Всесвіту перетвориться у випромі­ нювання і світ нагадуватиме радіохвильову кулю, що розширюється. А. Еддінгтон якраз вважав зростання ентропії показником напряму зміни часу від минулого до майбутнього. Оскільки при тепловій смерті ентропія досягне максимуму, то час у цьому разі зупиниться. Якщо за кінець світу А. Еддінгтон брав стан його термодинамічної рівно­ ваги, то за початок — такий стан світу, коли матерія й енергія мали максимум можливої організації. Виходить, що за другим принци­ пом кінець світу має бути з настанням його теплової смерті, то тоді має існувати початок його, як твердить А. Еддінгтон. Прихильни­ ком теплової смерті був, наприклад, відомий американський учений

Н.Вінер — один із творців кібернетики.

Зкритикою теорії теплової смерті Всесвіту виступив видатний фізик-матеріаліст JI. Больцман (1844—1906). У класичній термоди­ наміці вважається, що при досягненні в системі теплової рівноваги в ній припиняються будь-які активні процеси, пов’язані з відхилен­ ням від цього стану. JI. Больцман підійшов до проблеми теплової рівноваги з позицій молекулярно-кінетичної теорії теплоти, пов’я­ зав поняття ентропії зі станом молекулярної системи, з його ймовір­ ністю (7.36). Проте він допускав можливість зміни стану системи навіть при статистичній рівновазі. Оскільки стан найбільшої ймовір­ ності близький до стану дещо меншої ймовірності, то в системі відбу­ ватимуться невеликі відхилення від цього стану, або флуктуації, про­ тягом яких ентропія зменшуватиметься. За Больцманом, ентропія

7“ 5

193

замкненої системи з часом збільшується, але в окремі моменти часу спостерігається її зменшення, зумовлене флуктуаціями речовини.

JI. Больцман переніс ці уявлення на Всесвіт. Він вважав, що дру­ гий принцип справедливий для Всесвіту, який у цілому перебуває вже в стані теплової рівноваги. В окремих частинах його зі змен­ шенням ентропії відбуваються відхилення від цього стану, або флук­ туації, які охоплюють іноді гігантські за розмірами області. Подібні флуктуації характеризуються законами ймовірності, після кожної з таких флуктуацій система повертається в попередній стан рівнова­ ги. JI. Больцман допускав, що область зіркового простору, яка ото­ чує нас, є саме такою гігантською за розмірами флуктуацією, під час якої виникли можливості для виникнення життя на Землі.

Флуктуаційна гіпотеза JI. Больцмана відіграла прогресивну роль у боротьбі проти теорії теплової смерті, оскільки вона допускала можливість постійних змін у світі. Проте вчений обстоював позиції метафізичного і механістичного матеріалізму і висунута ним гіпоте­ за мала принципові недоліки, які знецінювали її позитивний кри­ тичний зміст. Давши статистичне тлумачення другому принципу, він відкинув лише ідею незмінності Всесвіту після встановлення теп­ лової рівноваги, але не саме положення про теплову рівновагу.

Якщо застосувати положення статистичної механіки до Всесвіту, який існує необмежено в часі, то ми, здавалося б, з необхідністю повинні дійти висновку, що Всесвіт (точніше, будь-яка як завгодно велика його область) має перебувати в стані термодинамічної рівно­ ваги. Час релаксації будь-якої скінченної області не може бути не­ скінченним. Насправді ж нічого такого не спостерігається. Вся та область Всесвіту, з якої доходить до нас інформація, перебуває в стані дуже далекому від рівноваги. Сконцентрована в галактиках та зірках матерія безперервно втрачає енергію, яка розсіюється у прос­ торі, а це веде до складної еволюції зіркових систем, зірок і планет.

Одним із перших глибоку критику теорії теплової смерті Всесвіту дав Ф. Енгельс. Він вказував на несумісність цієї теорії з матеріалі­ стичним світоглядом. Вона суперечить принципу незнищенності руху, тому має бути відкинута філософією. Спростовуючи твердження про неминучість перетворення всіх форм руху в теплоту, яка необоротно розсіюється в простір, Ф. Енгельс зазначав, що рух матерії збері­ гається в кількісному і якісному відношеннях, тобто необмежено перетворюється з одних форм в інші. Він писав, що випромінена у світовий простір теплота повинна мати можливість якимсь шляхом — шляхом, встановлення якого буде колись у майбутньому завданням природознавства, — перетворитися в іншу форму руху, в якій вона може знову зосередитись і почати активно функціонувати.

Неважко переконатися, що другий принцип термодинаміки має обмежену сферу дії, характеризує не всі форми руху, а лише ті, які пов’язані з перетворенням теплоти. Він не поширюється на граві­

194

таційні, ядерні та електромагнітні процеси, хоча саме вони зумовлю­ ють концентрацію розсіяної матерії і залучають її в нові цикли роз­ витку. Другий принцип не поширюється також на броунівський рух, який не виявляє ніякої тенденції до припинення, тому його не можна вважати таким загальним законом, яким є, наприклад, закон збере­ ження енергії, що діє в усіх без винятку процесах, як одиничних, так і масових. Крім того, при узагальненнях треба мати на увазі ту межу, де кількісні нагромадження в системі приводять до нових якостей. Ентропією також можна характеризувати великі й малі тіла, але вона не має смислу щодо окремих молекул. Деякі фізичні поняття й зако­ ни якісно змінюються при переході від макрофізичних процесів до процесів мегасвіту. Суть методологічної помилки у висновку про теп­ лову смерть криється також у нехтуванні якісних змін основних по­ нять (ізольована система, ентропія, рівноважний стан) при поширенні термодинаміки на світ у цілому. Закон зростання ентропії діє лише в замкненій, тобто скінченній, системі. Світ же нескінченний у про­ сторі й часі і є незамкненою сукупністю систем. Тому безпідставно поширювати закон, справедливий для обмежених областей, який діє на Всесвіт тільки за певних умов. При цьому допускається абсолюти­ зація другого принципу. Навіть якщо вважати, що світ нескінченний у просторі й скінченний у часі, як це допускається в концепції тепло­ вої смерті, то й тоді вона ніколи б не настала. Досвід засвідчує, що будь-які взаємодії поширюються зі скінченною швидкістю. Тоді світ, нескінченний у просторі, прийшов би до теплової смерті лише через нескінченно великий проміжок часу, тобто практично ніколи не зміг би прийти до термодинамічної рівноваги.

Ентропія — це єдина відома функція стану, яка однозначно збільшується з часом. Ця особливість ентропії дає змогу інколи вва­ жати її своєрідним показником напряму часу від минулого до май­ бутнього. Спроба пов’язати плинність часу зі зміною ентропії має деякі підстави. Напрям часу не можна вивести з ускладнення ма­ терії в процесі розвитку, оскільки розпад систем потрібно було б пов’язати зі зворотним напрямом плинності часу, що неприпустимо. Проте зростання ентропії не можна вважати єдиним і універсальним показником напряму часу для всіх процесів. Для процесів, до яких поняття ентропії незастосовне, показник напряму часу має бути іншим. Цей показник не завжди дійсний і для тих процесів, до яких можна застосовувати поняття ентропії. Ці процеси пов’язані в основ­ ному з тепловою формою руху. Наприклад, якщо в ізольованій системі настає термодинамічна рівновага, ентропія досягає свого найбільшо­ го з можливих значень, то потрібно було б визнати, що при цьому час у такій системі зупинився б. Такий висновок не має смислу, оскільки навіть після встановлення статистичної рівноваги рух у системі не припиняється. Хоча в середньому швидкості молекул ста­ нуть приблизно однаковими, проте вони будуть значно відрізнятися

195

від нуля. Відбуватиметься також рух атомів у молекулах, елемен­ тарних частинок у атомах, різна взаємодія їх. Ці форми руху прин­ ципово незнищенні, а саме їхнє існування передбачає плинність часу, який виступає як об’єктивна міра тривалості будь-якої зміни. По­ няття ентропії до них застосувати неможливо.

Проте у випадку макроскопічних явищ виникають значні труд­ нощі й суперечності у зв’язку з таким розумінням ентропії. Іноді, як показав Больцман, можливе не лише зростання, а й зменшення ентро­ пії за рахунок флуктуацій. Якщо плинність часу від минулого до майбутнього ототожнювати зі зростанням ентропії, то зменшення ен­ тропії слід би пов’язати із зворотним напрямом часу — від майбут­ нього до минулого.

Отже, зростання ентропії не можна вважати критерієм плинності часу до майбутнього. Не час є похідним від окремої фізичної харак­ теристики — ентропії, а, навпаки, зростання ентропії є похідним щодо змін матерії в часі.

Збільшення ентропії на ділянці розширення Всесвіту узгоджується із законами класичної механіки. Лише в надгустих станах Всесвіту, мабуть, виявиться необхідним урахування квантових ефектів, а отже, характер зміни ентропії зумовлений на певних етапах еволюції Все­ світу квантовими законами поведінки частинок.

Швидкий розвиток теорії еволюції Всесвіту став можливим лише на основі нової теорії гравітації, яка враховує релятивістську космологію. Сучасні уявлення про розвиток Всесвіту викладені в підрозділі 14.15.

7.12. Третій принцип термодинаміки. Від'ємні температури

У 1906 р. принципи термодинаміки було доповнено тепловою те­ оремою Нернста. Ця теорема не випливає з першого і другого прин­ ципів, а виражає новий закон природи, тому її часто називають

третім принципом термодинаміки. Суть його полягає в тому, що при абсолютному нулі температур будь-які зміни стану відбуваються без зміни ентропії, або нульова ізотерма збігається з нульовою адіа­ батою. Адже при абсолютному нулі рівноважна система перебуває у певному єдиному стані з найменшою енергією £ 0. Термодинамічна ймовірність W такого стану дорівнює одиниці. Проте з формули Больцмана (7.36) випливає, що при Т = 0 W = 1, а ентропія S = 0.

Теорема Нернста приводить до висновку, що не можна досягнути температури абсолютного нуля. За допомогою сучасної техніки мож­ на одержати низькі температури близько 10"5 К. Недосяжність абсо­ лютного нуля температури приводить лише до неможливості перехо­ ду від додатних до від’ємних абсолютних температур. Проте теорема Нернста не виключає можливості існування поряд із додатними від’ємних абсолютних температур.

196

Якщо виходити з того, що температура пропорційна середній кіне­ тичній енергії частинок, то для атомних систем, яким властива лише кінетична енергія руху частинок, від’ємна температура не має фізич­ ного змісту. Крім молекулярно-кінетичного тлумачення температури її розглядають як величину, що визначає розподіл частинок за енер­ гіями. Якщо скористатися цим більш загальним питанням темпера­ тури, то дійдемо висновку про існування і від’ємних температур.

Якщо газ перебуває в якомусь силовому полі, а отже, його час­ тинкам властива деяка потенціальна енергія, то кількість частинок, що мають певну енергію U, визначають за формулою

п = 71q£r U / k T

(7.37)

Вираз (7.37) називають формулою Больцмана. За допомогою цієї формули можна визначити відносну кількість частинок, що мають в умовах теплової рівноваги енергію U:

= еr U / k T

(7.38)

Яо

 

Із формули (7.38) видно, що відносна кількість п/п0 частинок з енер­ гією U залежить не лише від цієї енергії, а й від температури. Тому температуру використовують як величину, що зумовлює розподіл части­ нок за енергіями. З формули (7.38) видно, що чим більша £7, тим мен­ ша відносна кількість частинок п/п$, які мають цю енергію. Зрозумі­ ло, що в рівноважному стані, для якого справедливий закон Больцма­ на, п завжди менше від п0. Логарифмуючи рівність (7.38), дістанемо

(7.39)

звідки

(7.40)

k InТІ / 71q ’

Отже, якщо 7і< /і0, то Т > 0. Для атомної системи, в якій п може бути і більшим за /і0, температура може бути також від’ємною, оскіль­ ки при п > /IQ Т стає від’ємною.

Умови реалізації такого випадку легше зрозуміти, якщо розгля­ нути не класичну систему, де від’ємна температура не може бути реалізована, а квантову і скористатися поняттям ентропії, що визна­ чає ступінь хаосу в системі.

При абсолютному нулі температур усі частинки системи перебува­ ють на своїх звичайних енергетичних рівнях, а всі інші рівні порожні. Система в таких умовах максимально впорядкована, і її ентропія дорів­ нює нулю (дорівнює нулю і її теплоємність).

У разі збільшення температури системи наданням їй енергії частинки переходитимуть також на вищі рівні енергії. При цьому чим вища темпе­ ратура, тим більша «населеність» більш високих енергетичних рівнів.

197