- •Вопрос1 Кинематическое описание движения материальной точки
- •Вопрос2 Криволинейное движение
- •Вопрос3 Кинематика вращательного движения
- •Вопрос 4 Законы динамики Ньютона
- •Вопрос 5 Закон сохранения импульса
- •Вопрос 6 Работа, мощность.
- •Вопрос 7 Энергия
- •Вопрос 8 Момент инерции твердого тела
- •Вопрос 9 Работа и кинетическая энергия вращения
- •Вопрос 10 Основной закон динамики вращения
- •Вопрос 11 Закон сохранения момента импульса
- •Вопрос 12 Механические колебания
- •Вопрос 13 Идеальный газ
- •Вопрос 14 Распределение молекул идеального газа по скоростям хаотического теплового движения.
- •Вопрос 15 Распределение молекул в потенциальном поле сил
- •Вопрос 16 Первое начало термодинамики
- •Вопрос 17 Теплоемкость
- •Вопрос 18 Применение первого закона термодинамики к изопроцессам
- •Вопрос 19 Адиабатический процесс
- •2.3.6. Адиабатический процесс. Политропный процесс
- •Вопрос 20 Второе начало термодинамики
- •2.3.8. Энтропия, её статистическое толкование и связь с термодинамической вероятностью
- •2.3.9. Второе начало термодинамики
- •Вопрос 21 Цикл Карно для идеальной тепловой машины Тепловые двигатели и холодильные машины. Цикл Карно и его к. П. Д. Для идеального газа
- •Вопрос 22 Свойства физических зарядов
- •Вопрос 23 Напряженность электрического поля в вакууме
- •Вопрос 24 Теорема Остроградского-Гаусса для электрического поля в вакууме
- •2. Поле двух бесконечных параллельных равномерно заряженных плоскостей
- •Вопрос 25 Потенциал
- •Вопрос 26 Связь напряженности электрического поля с потенциалом
- •Вопрос 27 Проводники в электрическом поле
- •Вопрос 28 Диэлектрики в электрическом поле
- •Вопрос 29 Энергия электростатического поля
- •Вопрос 30 Постоянный электрический ток
- •Вопрос 31 Закон Ома для однородного участка цепи
- •Вопрос 32 Закон Ома для замкнутой цепи
- •Вопрос 33 Работа и мощность электрического тока
- •Вопрос 34 Магнитное поле в вакууме
- •Вопрос 35 Движение заряженных частиц в магнитном поле
- •Вопрос 36 Взаимодействие магнитного поля с током
- •Вопрос 38 Поток вектора магнитной индукции сквозь произвольную поверхность
- •Вопрос 39 Работа по перемещению проводника и контура с током в магнитном поле.
- •Вопрос 40 Электромагнитная индукция
- •Вопрос 41 Явление самоиндукции
- •Вопрос 42 Энергия магнитного поля тока
- •Вопрос 43 Закон полного тока
- •Вопрос 44 Магнитные свойства вещества
- •Вопрос 45 Магнетики в магнитном поле
- •Вопрос 46 Ферромагнетизм
- •Природа ферромагнетизма
- •Вопрос 50 Интерференция света от двух источников
- •Вопрос 51 Интерференция света в тонких пленках
- •Вопрос 52 Дифракция света
- •Вопрос 53 Дифракция при параллельных лучах Фраунгорфера
- •Вопрос 54 Поляризация света
- •Вопрос 55 Способы получения поляризованного света
- •Вопрос 56 Тепловое излучение
- •Вопрос 57 Законы теплового излучения
- •Вопрос 58 Внешний фотоэффект
- •Вопрос 59 Эффект Комптона
- •Вопрос 60 Корпускулярно – волновой дуализм
- •Вопрос 61 Волновые свойства микрочастиц
- •Вопрос 62 Соотношение неопределенностей
- •Вопрос 63 Волновая функция.
- •Вопрос 64 Боровская теория водородоподобного атома
- •Вопрос 66 Молекула
- •Вопрос 67 Современные представления об электропроводности тел
- •Вопрос 68 Атомное ядро
2.3.8. Энтропия, её статистическое толкование и связь с термодинамической вероятностью
Понятие энтропии введено в 1865 г. Р. Клаузиусом. Для выяснения физического содержания этого понятия рассматривают отношение теплоты Q, полученной телом в изотермическом процессе, к температуре Т теплоотдающего тела, называемое приведенным количеством теплоты.
Приведенное количество теплоты, сообщаемое телу на бесконечно малом участке процесса, равно Q/T. Строгий теоретический анализ показывает, что приведенное количество теплоты, сообщаемое телу в любом обратимом круговом процессе, равно нулю:
|
(2.124) |
Из равенства нулю интеграла (2.124), взятого по замкнутому контуру, следует, что подынтегральное выражение Q/T есть полный дифференциал некоторой функции, которая определяется только состоянием системы и не зависит от пути, каким система пришла в это состояние. Таким образом,
|
(2.125) |
Функция состояния, дифференциалом которой является Q/T, называется энтропией и обозначается S.
Из формулы (2.124) следует, что для обратимых процессов изменение энтропии
S=0. |
(2.126) |
В термодинамике доказывается, что энтропия системы, совершающей необратимый цикл, возрастает:
S>0. |
(2.127) |
Выражения (2.126) и (2.127) относятся только к замкнутым системам, если же система обменивается теплотой с внешней средой, то ее энтропия может вести себя любым образом. Соотношения (2.126) и (2.127) можно представить в вида неравенства Клаузиуса
S0, |
(2.128) |
т. е. энтропия замкнутой системы может либо возрастать (в случае необратимых процессов), либо оставаться постоянной (в случае обратимых процессов).
Если система совершает равновесный переход из состояния 1 в состояние 2, то, согласно (2.125), изменение энтропии
|
(2.129) |
где подынтегральное выражение и пределы интегрирования определяются через величины, характеризующие исследуемый процесс. Формула (2.129) определяет энтропию лишь с точностью до аддитивной постоянной. Физический смысл имеет не сама энтропия, а разность энтропий.
Исходя из выражения (2.129), найдем изменение энтропии в процессах идеального газа. Так как то
|
(2.130) |
или
|
(2.131) |
т. е. изменение энтропии S12 идеального газа при переходе его из состояния 1 в состояние 2 не зависит от вида процесса перехода 12.
Tax как для адиабатического процесса Q=0, то S=0 и, следовательно, S=const, т. е. адиабатический обратимый процесс протекает при постоянной энтропии. Поэтому его часто называют изоэнтропийным процессом. Из формулы (2.131) следует, что при изотермическом процессе (t1=t2)
|
(2.132) |
при изохорном процессе(V1=V2)
|
(2.133) |
Энтропия обладает свойством аддитивности: энтропия системы равна сумме энтропий тел, входящих в систему. Свойством аддитивности обладают также внутренняя энергия, масса, объем (температура и давление таким свойством не обладают).
Более глубокий смысл энтропии вскрывается в статистической физике: энтропия связывается с термодинамической вероятностью состояния системы. Термодинамическая вероятность W состояния системы – это число способов, которыми может быть реализовано данное состояние макроскопической системы, или число микросостояний, осуществляющих данное макросостояние (по определению, W1, т. е. термодинамическая вероятность не есть вероятность в математическом смысле (последняя 1!)).
Согласно Больцману (1872), энтропия системы в термодинамическая вероятность связаны между собой следующим образом:
S = k lnW, |
(2.134) |
где k – постоянная Больцмана. Таким образом, энтропия определяется логарифмом числа микросостояний, с помощью которых может быть реализовано данное макросостояние. Следовательно, энтропия может рассматриваться как мера вероятности состояния термодинамической системы. Формула Больцмана (2.134) позволяет дать энтропии следующее статистическое толкование: энтропия является мерой неупорядоченности системы. В самом деде, чем больше число микросостояний, реализующих данное макросостояиие, тем больше энтропия. В состоянии равновесия – наиболее вероятного состояния системы – число микросостояний максимально, при этом максимальна и энтропия.
Так как реальные процессы необратимы, то можно утверждать, что все процессы в замкнутой системе ведут к увеличению ее энтропии – принцип возрастания энтропии. При статистическом толковании энтропии это означает, что процессы в замкнутой системе идут в направлении увеличения числа микросостояний, иными словами, от менее вероятных состояний к более вероятным, до тех пор, пока вероятность состояния не станет максимальной.
Сопоставляя выражения (2.128) и (2.134), видим, что энтропия и термодинамическая вероятность состояний замкнутой системы могут либо возрастать (в случае необратимых процессов), либо оставаться постоянными (в случае обратимых процессов).
Отметим, однако, что эти утверждения имеют место для систем, состоящих из очень большого числа частиц, но могут нарушаться в системах с малым числом частиц. Для «малых» систем могут наблюдаться флуктуации, т. е. энтропия и термодинамическая вероятность состояний замкнутой системы на определенном отрезке времени могут убывать, а не возрастать, или оставаться постоянными.