Иными словами, в случае обратимых процессов delta S = 0, то естьS = const – энтропия изолированной системы в случае обратимых процессов постоянна.
При необратимых процессах получаем закон возрастания энтропии:
delta S > 0.
Для того чтобы осуществить обратимый процесс, необходимо добиться очень медленного расширения или сжатия рабочего тела, чтобы изменения системы представляли собой последовательность равновесных состояний. В таком цикле совершение какой-либо полезной работы потребует бесконечно большого времени. Чтобы получить работу в короткие промежутки времени, то есть хорошую мощность, приходится нарушать условия идеального цикла. А это сразу приведет к неодинаковости температуры на разных участках системы, к потокам тепла от более горячих участков к менее горячим, то есть к возрастанию энтропии системы.
Для описания термодинамических процессов I начала термодинамики оказывается недостаточно, ибо I начало термодинамики не позволяет определить направление протекания процессов в природе. Тот факт, что энтропия изолированной системы не может убывать, а только возрастает и достигает максимального значения в равновесном состоянии, является отражением того, что в природе возможны процессы, протекающие только в одном направлении – в направлении передачи тепла только от более горячих тел менее горячим.
Существуют различные формулировки II начала термодинамики. Все они являются эквивалентными. Вот некоторые из них:
1. Невозможны такие процессы, единственным конечным результатом которых был бы переход тепла от тела, менее нагретого, к телу, более нагретому.
2. В природе возможны процессы, протекающие только в одном направлении – в направлении передачи тепла только от более горячих тел менее горячим.
3. КПД любой тепловой машины всегда меньше 100%, то есть невозможен вечный двигатель.
4. КПД любой реальной тепловой машины всегда меньше КПД идеальной тепловой машины.
5. Энтропия изолированной системы при протекании необратимых процессов возрастает, ибо система, предоставленная самой себе, переходит из менее вероятного состояния в более вероятное. Энтропия системы, находящейся в равновесном состоянии, максимальна и постоянна.
4. Энтропия и вероятность.
В основе термодинамики лежит различие между двумя типами процессов – обратимыми и необратимыми.
Физический смысл энтропии, само понятие энтропии, введено в физическую теорию как раз для того, чтобы отличать в случае изолированных систем обратимые процессы (энтропия максимальна и постоянна) от необратимых процессов (энтропия возрастает).
Благодаря работам великого австрийского физика Людвига Больцмана это отличие было сведено с макроскопического уровня на микроскопический. Состояние макроскопического тела (системы), заданное с помощью макропараметров называют макросостоянием.
Состояние макроскопического тела, охарактеризованное настолько подробно, что оказываются заданными состояния всех образующих тело молекул, называется микросостоянием.
Всякое макросостояние может быть осуществлено различными способами, каждому из которых соответствует некоторое микросостояние системы. Число различных микросостояний, соответствующих данному макросостоянию, называется статистическим весом W, или термодинамической вероятностью макросостояния.
Больцман первым увидел связь между энтропией и вероятностью. При этом он понял, что энтропия должна выражаться через логарифм вероятности. Ибо если мы рассмотрим, скажем, 2 подсистемы одной системы, каждая из которых характеризуется статистическим весом, соответственно W1 и W2, полный статистический вес системы равен произведению статистических весов подсистем, в то время как энтропия системы S равна сумме энтропии подсистем:
S = S1 + S2
1nW = 1n(W1*W2) = 1nW1 + 1nW2 S = k 1n W.
Больцман связал понятие энтропии S с 1n W. В 1906 году Макс Планк написал формулу, выражающую основную мысль Больцмана об интерпретации энтропии как логарифма вероятности состояния системы:
S = k 1n W.
Коэффициент пропорциональности k был рассчитан Планком и назван им постоянной Больцмана.
Идея Больцмана о вероятностном поведении отдельных молекул явилась развитием нового подхода при описании систем, состоящих из огромного числа частиц, впервые высказанного Максвеллом. Максвелл пришел к пониманию того, что в этих случаях физическая задача должна быть поставлена иначе, чем в механике Ньютона. Максвелл ввел для описания случайного характера поведения молекул понятие вероятности, вероятностный (статистический) закон. Используя новый подход, Максвелл вывел закон распределения числа молекул по скоростям. Работы Максвелла по кинетической теории газов являются конкретизацией и развитием идей Клаузиуса, которого Максвелл называл «создателем новой области математической физики». Работами Клаузиуса, Томсона, Максвелла и Больцмана была решена основная задача построения кинетической теории газов: ими был установлен закон, выражающий макропараметры идеального газа – давления и температуры – через микропараметры идеального газа. Тем самым было дано молекулярно-кинетическое толкование температуры как меры средней кинетической энергии движения молекул. В дальнейшем Больцман показал, что второй закон термодинамики также является следствием более глубоких статистических законов поведения большой совокупности частиц.
3.Порядок и хаос. Стрела времени.
Точка зрения Больцмана означала, что необратимое возрастание энтропии в изолированной системе, которая не обменивается энергией с окружающей средой, следует рассматривать как проявление все увеличивающегося хаоса, постепенного забывания начальной асимметрии, ибо асимметрия приводит к уменьшению числа способов, которыми может быть осуществлено данное макросостояние, то есть к уменьшению термодинамической вероятности W. Так что любая изолированная система самопроизвольно эволюционирует в направлении забывания начальных условий, перехода в макроскопическое состояние с максимальным W, соответствующим состоянию хаоса и максимальной симметрии. При этом энтропия возрастает, что соответствует самопроизвольной эволюции системы. Закон этот обойти нельзя, возрастание энтропии является платой за любой выигрыш в работе, оно присутствует во всех физических явлениях. В состоянии теплового равновесия энтропия достигает своего максимального значения. Иными словами, в равновесном состоянии существует состояние молекулярного хаоса, что означает полное забывание системой своего начального состояния, несохранения системой информации о своем прошлом.
По словам Эддингтона, возрастание энтропии, определяющее необратимые процессы, есть «стрела времени». Для изолированной системы будущее всегда расположено в направлении возрастания энтропии. Это и отличает будущее от настоящего, а настоящее от прошлого. То есть возрастание энтропии определяет направление, стрелу времени. Энтропия же возрастает по мере увеличения беспорядка в системе. Поэтому любая изолированная физическая система обнаруживает с течением времени тенденцию к переходу от порядка к беспорядку. Старая концепция движения, которая не обращала должного внимания на необратимые процессы, по существу, описывала движение как постоянное повторение одного и того же круга превращений. Сформулировав II начало термодинамики, Клаузиус проводит четкую границу между движением как повторением и движением как необратимым процессом. «Часто приходится слышать, - пишет он, - что все в мире происходит в замкнутом круге… Когда первый основной принцип механической теплоты был сформулирован, его, пожалуй, можно было счесть за блестящее подтверждение вышеупомянутого мнения… Но второй основной принцип механической теплоты противоречит этому мнению решительным образом… Отсюда вытекает, что состояние Вселенной должно все более и более изменяться в определенном направлении».
Таким образом, рассмотрев вопросы, связанные с понятием «хаос», мы пришли к следующим выводам:
- Термин «хаос» непосредственно связан с понятием энтропии;
- Начиная с семидесятых годов бурно развивается направление, называемое синергетикой, в фокусе внимания которого оказываются сложные системы с самоорганизующимися процессами, системы, в которых эволюция протекает от хаоса к порядку, от симметрии к всевозрастающей сложности;
- Процессы, протекающие в различных явлениях природы, следует разделять на два класса. К первому классу относятся процессы, протекающие в замкнутых системах. Они развиваются в направлении возрастания энтропии и приводят к установлению равновесного состояния в системах. Ко второму классу относятся процессы, проистекающие в открытых системах;
- Эволюция Вселенной предстает в контексте инфляционной теории как синергетический самоорганизующийся процесс;
- Энтропия системы может рассматриваться как функция состояния системы, ибо изменение ее не зависит от вида процесса, а определяется только начальным и конечным состояниями системы;
- Физический смысл энтропии, само понятие энтропии, введено в физическую теорию как раз для того, чтобы отличать в случае изолированных систем обратимые процессы (энтропия максимальна и постоянна) от необратимых процессов (энтропия возрастает);
- необратимое возрастание энтропии в изолированной системе, которая не обменивается энергией с окружающей средой, следует рассматривать как проявление все увеличивающегося хаоса, постепенного забывания начальной асимметрии, ибо асимметрия приводит к уменьшению числа способов, которыми может быть осуществлено данное макросостояние, то есть к уменьшению термодинамической вероятности W;
- возрастание энтропии, определяющее необратимые процессы, есть «стрела времени». Для изолированной системы будущее всегда расположено в направлении возрастания энтропии. Это и отличает будущее от настоящего, а настоящее от прошлого.
1. Басаков М.И. Концепции современного естествознания: учебное пособие, Ростов н/Д: «Феникс», 1997.
2. Ващекин Н.П. Концепции современного естествознания. – М.: МГУК, 2000 г.
3. Потеев М.И. Концепции современного естествознания, Санкт-Петербург, Питер, 1999 г.
4. Югай Г. А. Общая теория жизни, М., Мысль, 1985 г.
Страницы: 1, 2
