§22. Энтропия и беспорядок

Тепловая энергия тела – это энергия хаотичного, беспорядочного движения его молекул. Этой хаотичностью тепловое движение молекул отличается от макроскопического механического движения тела, при котором составляющие его молекулы движутся упорядоченно, причем упорядоченное движение накладывается на хаотичное движение молекул. Превращение тепловой энергии в механическую сводится к превращению хаотичного теплового движения молекул в движение упорядоченное.

Преобразовать механическую энергию в тепловую это значит, превратить энергию порядка в энергию беспорядка. Это два обратных процесса неравноправные: превратить упорядоченное движение в хаотическое несравненно легче, чем производить обратное превращение.

Всякий естественный процесс всегда протекает так, что система переходит в состояние с большим беспорядком: температура сама собой выравнивается, газ сам перемешивается.

Сходство между степенью беспорядка системы и энтропией очевидно. Естественно считать энтропию мерой беспорядка системы, имея в виду связь между энтропией и вероятностью состояния. Можно сказать, что состояние с большим беспорядком характеризуется большей термодинамической вероятностью, чем более упорядоченная система. Этим связана необратимость тепловых процессов: они протекают так, что беспорядок в системе увеличивается.

Необратимость тепловых процессов – это необратимость порядка и беспорядка. Этим связан и тот факт, что любой вид энергии, в конце концов, переходит в тепло, так как тепловая энергия – это энергия беспорядочных движений, в то время как другие виды энергии связаны с более упорядоченным движением.

Обобщая все сказанное выше, сформулируем основные свойства энтропии:

1. Энтропия является функцией состояния системы

2. Энтропия замкнутой системы постоянна, если система претерпевает обратимое изменение состояния

3. Энтропия замкнутой системы, необратимо меняющая своё состояние, возрастает

4. Максимальное значение энтропии соответствует равновесному состоянию системы.

5. Энтропия связана с вероятностью состояния. Возрастание энтропии системы при необратимом изменении её состояния означает, что система переходит из менее вероятного в более вероятное состояние.

Рост энтропии при необратимом процессе означает, что энергия, которой обладает система становиться менее доступной для преобразования в механическую работу. В состоянии равновесия, когда энтропия достигает максимального значения, энергия системы не может быть преобразована в работу.

§23. Третье начало термодинамики

Многочисленные опыты показывают, что с понижением температуры во всякой системе наблюдается тенденция к всё большей упорядоченности. Это объясняется тем, что при низких температурах тела обладают меньшей энергией. Установление порядка при высоких температурах препятствуют тепловые движения молекул.

Если бы можно было охладить тело до абсолютного нуля, когда тепловые движения не могут мешать установлению порядка, то в системе установился бы максимально мысленный порядок, и этому состоянию соответствовала бы минимальная энтропия.

Возникает вопрос, как бы вело себя тело при абсолютном нуле, если бы над ним совершалась внешняя работа. Может ли изменяться энтропия тела, находящегося при T=0.

На основании многих опытов был сделан следующий вывод, который формулируется в следующем виде:

При абсолютном нуле температуры любые изменения состояния происходят без изменения энтропии.

Это утверждение называется теоремой Нернста или третьим началом термодинамики.

Вероятностная трактовка понятия энтропии позволяет сделать вывод, что энтропия при абсолютном нуле температуры равна нулю. Из факта, что при T=0 S=0 следует, что абсолютный нуль принципиально недостижим, если бы существовало тело с температурой равной нулю, то можно было бы построить вечный двигатель II рода, что противоречит второму началу термодинамики.

Из III начала термодинамики следует важные выводы о поведении вещества при очень низких температурах. При T0 C0,а при T=0 C=0. Должны стремиться к нулю при Т=0 коэффициент сжимаемости и коэффициент теплового расширения.

Всё это относиться к системам, находящимся в равновесном состоянии. У тел, не находящихся в равновесном состоянии, энтропия при абсолютном нуле может и отличаться от нуля.