ЭБЗ Классическая физика (часть 1) - механика, термодинамика и молекулярная физика (1175272), страница 61
Текст из файла (страница 61)
Это позволяет более полно и глубоко изучать рассматриваемые имиявления.ТермодинамикаПервое начало термодинамики выражает закон сохранения и превращения энергиив самом общем его понимании.Второе начало термодинамики имеет несколько формулировок, которые на первыйвзгляд кажутся совершенно не связанными, даже относящимися к разным явлениям, ана самом деле вытекают одна из другой. По существу, второе начало термодинамикиформулирует условия, которые определяют направление самопроизвольных процессов.В частности, оно утверждает, что в системе, предоставленной самой себе, тепло передается от более нагретых тел к менее нагретым, а не наоборот.Следует отметить вероятностный, статистический характер второго начала термодинамики.
Если первое начало является абсолютным законом, который выполняетсявсегда, то второе начало выполняется в реальных процессах в среднем, причем его выполнение тем более вероятно, чем к большим объектам он относится. В макроскопических масштабах, второе начало никогда не нарушается. При рассмотрении же процессов взаимодействия между подсистемами микроскопических размеров вероятность передачи энергии от менее нагретой подсистемы к более нагретой в отдельных актахвзаимодействия оказывается отличной от нуля. Такая передача произойдет, например,при столкновении быстрой молекулы из более холодной порции газа с медленной молекулой из более горячей порции.
Однако вероятность такого столкновения мала, поскольку в более нагретом газе преобладающее число частиц имеет более высокие скорости, а в менее нагретом преобладают относительно медленные молекулы. Это приводит к тому, что в среднем второе начало будет иметь место и для таких систем.Р. Клаузиусом второе начало было сформулировано в виде закона возрастания энтропии, который эквивалентен утверждению, что предоставленная самой себе (безвнешних воздействий) замкнутая система переходит от менее вероятных состояний ксостояниям более вероятным. Связь энтропии и вероятности была открыта Л. Больцманом.
Клаузиус поставил вопрос так: если Вселенная существует уже бесконечно долго,то почему она до сих пор еще не достигла полного статистического равновесия? Почему энтропия всех ее частей не достигла наибольшего значения? Выход из этой трудности и искал Больцман. Он допустил, что когда-то очень давно во Вселенной произошлогигантское самопроизвольное отклонение от равновесия – флуктуация.
В результатеобразовался видимый мир планет, звезд и галактик. То, что такое событие практическиневероятно, не должно удивлять нас: ведь не будь его, некому было бы удивляться!Изучение второго начала термодинамики привело не только к вопросам о началесуществования Вселенной, но и том, что ждет ее в будущем.
Процесс приближения ктепловому равновесию, идя с конечной скоростью, не может длиться вечно: когданибудь равновесие должно наступить. На этом основании возникла ложная теория тепловой смерти Вселенной. Согласно этой теории все виды движения должны в конечномсчете превратиться в тепловую форму, энергия равномерно распределится повсюду,иссякнут ее источники. Эсхатологические следствия из второго начала термодинамикивызвали бурные протесты ряда ученых, в том числе и Больцмана.Советские ученые К. П. Станюкович, И.
Р. Плоткин, Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц имногие другие выдвинули существенные аргументы, опровергающие идею тепловойсмерти Вселенной. Наиболее обоснованными выглядят доводы Л. Д. Ландау иЕ. М. Лифшица, которые пишут, что представление о неизбежности теплового равновесия Вселенной не научно, так как игнорирует незамкнутость систем, излучающих гравитационные поля: «...существенно, что гравитационное поле не может быть самовключено в состав замкнутой системы в виду того, что при этом бы обратились бы втождество законы сохранения, являющиеся, как мы видели, основой статистики. Благодаря этому в общей теории относительности мир как целое должен рассматриваться некак замкнутая система, а как система, находящаяся в переменном гравитационном поле; в связи с этим применение закона возрастания энтропии не приводит к выводу о необходимости статистического равновесия» [9].Стоит обратить внимание студентов на очень важную гносеологическую проблему,касающуюся изменения знака времени.
Хорошо известно, что уравнения классическоймеханики симметричны к замене времени t на –t. Вместе с тем на практике и в том числе в экспериментах время всегда однонаправленно и необратимо. В связи с этим Ландау и Лифшиц пишут: «...в квантовой механике имеется физическая неэквивалентностьобоих направлений времени, и, возможно, ее «макроскопическим» выражением и является закон возрастания энтропии. Однако до настоящего времени не удалось скольконибудь убедительным образом проследить эту связь и показать, что она действительноимеет место» [9].Мы живем в неравновесном мире, все реальные процессы представляют собой неравновесные и необратимые процессы. В ряде случаев теория равновесных состоянийявляется достаточно хорошим приближением для описания реальной ситуации.
Однаконе следует забывать, что равновесные функции распределения частиц по импульсам иэнергиям, которые часто используются, лишь приближенно соответствуют действительности. Процессы можно считать физически бесконечно медленными, если временем релаксации (установления равновесия) можно пренебречь. Такие процессы сводятся к последовательности равновесных состояний. Время релаксации в газах порядкадлительности свободного пробега молекул, так как система релаксирует благодарястолкновениям молекул между собой.Для описания существенно неравновесных процессов, таких как электропроводность, теплопроводность, диффузия, созданы приближенные теории, которые базируются на предположении о малости отклонения от равновесия и в качестве нулевогоприближения используются равновесные функции распределения. В последние десятилетия стали усиленно изучаться и внедряться в лабораторную практику, технику ипромышленность системы, находящиеся в сугубо неравновесных состояниях.
Именно втаких ситуациях находится система в состоянии сверхпроводимости, активная среда,используемая в лазерах, и др. Появилась необходимость создания теорий состояний,весьма далеких от равновесия. Современная тенденция в науке – развитие теории крайне неравновесных состояний.Более полное рассмотрение методологических проблем статистической физикиимеет смысл провести при изложении в последней части курса элементов квантовыхстатистик.ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА1.Мандельштам Л.
И. Собр. соч., Т. 1, 1947, с. 360.2.Вавилов С. И. Философские проблемы современной физики и задачи советских физиков в борьбе за передовую науку. – В кн.: Философские вопросы современнойфизики. – М.: АН СССР, 1951, с. 28.3.Мамчур Е. А. Проблема выбора теории. – М.: Наука, 1975, с.
64.4.Фок В. А. Пространство, время, тяготение. – В кн.: Глазами ученого. – М.: АНСССР, 1963, с. 13.5.Фок В. А. Начала квантовой механики. – М.: Наука, 1976, с. 14.6.Принцип соответствия. Историко-методологический анализ. – М.: Наука, 1979,гл. I-III.7.Мостепаненко М. В. Философия и физическая наука. – Л.: Наука, 1969, с. 79-114.8.Ломоносов М. В. Избр. труды по химии и физике. – М.: АН СССР, 1961, с. 50, 100.9.Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика. – М.: Наука, 1964, с. 46, 48.ЗАДАЧИ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫПО МЕХАНИКЕ(Ермаков Б. В.)1.Блок массы m1 = 2 кг укреплен на вершине наклонной плоскости, образующей сгоризонтом угол α = 30°.
На блок намотана нить, другой конец которой прикрепленк грузу массы m2 = 5 кг. Найти ускорение, с которым будет двигаться груз, если коэффициент трения груза о плоскость µ = 0,1. Блок – сплошной диск.2.Обруч вкатывается на наклонную горку с начальной скоростью v0 = 0,5 м/с. На какую максимальную высоту может подняться этот обруч, если он катится без проскальзывания?3.Диск радиуса R = 2 см и массой m0 = 0,5 кг катится без проскальзывания по гиперболической поверхности с высоты H = 0,5 м. В конце пути диск попадает в ловушку с идеально гладкими стенками. Ловушка массы m1 = 1 кг подвешена на длиннойнерастяжимой нити.
На какую высоту поднимется ловушка вместе с находящимсявнутри нее диском?4.Маховик массой m0 = 500 г жестко связан со шкивом радиуса r = 5 см, масса шкивамного меньше массы маховика). На шкив намотана нить, другой конец которойприкреплен к грузу массы m = 1 кг. Найти ускорение груза. Масса маховика распределена по его ободу; радиус маховика R = 10 см.5.Блок массы m = 2 кг укреплен на вершине наклонной плоскости, составляющейугол α = 60° с горизонтом. Через блок перекинута нить, на одном конце которойсвободно висит груз массой m1 = 6 кг.
Другой конец нити привязан к грузу массыm2 = 4 кг, лежащему на наклонной плоскости. Найти ускорение, с которым будутдвигаться грузы. Трение отсутствует.6.Человек стоит на скамье Жуковского, вращающейся со скоростью ω0 = 0,5 с-1. Ондержит горизонтально однородный стержень длиной l = 2 м и массой m = 4 кг так,что центр масс стержня проходит через ось вращения.
Какой станет скорость вращения системы, если человек совместит стержень с осью вращения? Какую работупри этом выполнит человек, если момент инерции человека и скамьи I0 = 1,6 кг·м2?7.С наклонной плоскости, составляющей угол α = 30° с горизонтом, скатывается безпроскальзывания цилиндр, состоящий из двух частей. Внутренняя часть представляет собой сплошной цилиндр массы m2 = 3 кг. Внешняя часть – тонкостенный цилиндр того же радиуса, массы m2 = 0,5 кг. Трение между цилиндрами отсутствует.Найти ускорение системы.8.Однородный стержень длиной l = 1 м может вращаться вокруг горизонтальной оси,проходящей через его конец. Стержень отводят на угол α = 60° и отпускают.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
