Статистическое толкование второго закона термодинамики
Статистическое толкование второго закона термодинамики.
С позиции кинетической теории газов энтропию можно определить как меру неупорядоченности системы. Когда от системы при постоянном давлении отводится теплота, энтропия уменьшается. А упорядоченность в системе повышается. Это можно наглядно продемонстрировать на примере превращения газообразного вещества в твердое.
Молекулы газа движутся беспорядочно. Когда газ при отводе теплоты и соответствующем уменьшении энтропии конденсируется в жидкость, молекулы занимают более определенной положение (некоторое время молекула жидкости колеблется около какого-то положения равновесия, затем положение равновесия смещается и т.д., т.е. происходит одновременно медленные перемещения молекул и их колебания внутри малых объемов). При дальнейшем понижении температуры жидкости энтропия уменьшается, а тепловое движение молекул становится все менее интенсивным. Наконец, жидкость затвердевает, что связано с дальнейшим уменьшением энтропии, неупорядоченность становится еще меньше (молекулы только колеблются около средних равновесных положений).
Если Вам понравилась эта лекция, то понравится и эта - 52. Характеры героев трагедии.
В кинетической теории газов доказывается, что между энтропией системы в данном состоянии и термодинамической вероятностью этого состояния существует функциональная зависимость. Остановимся на этом подробнее.
Пусть термодинамическая система представляет собой газ. Для определения ее состояния необходимо указать всего два макроскопических параметра, например давление и температуру. Но можно это состояние задать и по-другому. Например, положение и скорость каждой из частиц, входящей в систему. Таким образом, в первом случае мы задаем макросостояние, во втором – ее микросостояние.
Одно и то же значение термодинамических параметров системы может получиться при различных положениях и скоростях ее частиц, следовательно, одному макросостоянию системы отвечает ряд микросостояний. В статистической механике принято характеризовать каждое макросостояние величиной Р – числом соответствующих микросостояний, реализующих данное макросостояние. Величина Р называется термодинамической вероятностью данного макросостояния.
Если в изолированной системе происходит самопроизвольный процесс и термодинамическое состояние меняется, это свидетельствует о том, что новое состояние реализуется большим количеством микросостояний, чем предыдущее макросостояние. А это означает, что в результате самопроизвольного процесса термодинамическая вероятность состояния системы растет. Но одновременно увеличивается и энтропия. Больцман (1872 г) доказал, что между термодинамической вероятностью и энтропией системы существует функциональная зависимость S = klnP, где k – постоянная Больцмана.
Таким образом, энтропия изолированной системы в каком-либо состоянии пропорциональна натуральному логарифму вероятности данного состояния. Так как природа стремится от состояний менее вероятных к состояниям более вероятным, энтропия изолированной системы уменьшаться не может. Эти два утверждения являются по сути дела, статистической и феноменологической формулировками второго начала термодинамики.
Различие между ними состоит в следующем. Статистическая формулировка утверждает, что в изолированной системе процессы, сопровождающиеся возрастанием энтропии, являются наиболее вероятными (НО НЕ ЯВЛЯЮТСЯ НЕИЗБЕЖНЫМИ), в то время как феноменологическая формулировка считает такие процессы единственно возможными.
