Ирина Богданова - Концепции современного естествознания. Шпаргалки

Термодинамика ввела в физику понятие энтропии (в переводе с греческого – «превращение»). Под энтропией в физике понимается некоторая величина S, которая, подобно энергии, давлению, температуре, характеризует состояние газа. Давший ей наименование Клаузиус считал, что когда к газу подводится теплота dQ, то S возрастает на величину dS = dQ /Т. Исходя из расчетов Карно, известно, что dQ1 /Т1 + dQ2/Т2 = 0, где dQ1 – полученное тепло, а dQ2 – отданное тепло.

Появление понятия энтропии позволило разделить теплоту и температуру (до середины XIX в. разницы между ними не делали). Теплота стала мерой изменения энергии, а энтропия – показателем состояния системы. Энтропия определяет изменение системы между началом процесса и конечным результатом, то есть является функцией состояния системы и не связана с характером происходящего процесса.

Для обратимых процессов в изолированной системе энтропия является постоянной величиной, для необратимых процессов характерна неравномерность температуры в разных стадиях процесса, поэтому тепло будет распространяться от горячих участков

к более холодным, а это приведет к возрастанию энтропии dS > 0. Введение понятия энтропии позволило определить направление природных процессов и доказало, что эти процессы как происходящие в изолированной системе могут идти только в одном направлении – то есть возможна передача тепла лишь от горячих тел к более холодным. Исходя из такого понимания энтропии, существует несколько формулировок второго начала термодинамики:

1. В природе невозможны такие процессы, единственным конечным результатом которых был бы переход тепла от менее нагретого к более нагретому.

2. КПД любой тепловой машины всегда <100 %.

3. Энтропия изолированной системы, находящейся в равновесном состоянии, максимальна и постоянна. При протекании обратимых процессов – постоянна, а при необратимых процессах возрастает.

После открытия энтропии и вывода соответствующих формул стало абсолютно ясно, что невозможно построить паровую машину со стопроцентным КПД, если она работает за счет одного нагревателя, а не за счет перепада теплоты (то есть при использовании нагревателя и охладителя), на этом надежды построить вечный тепловой двигатель рухнули.

Выведение принципа энтропии изолированной системы (энтропия системы, находящейся в равновесном состоянии, максимальна и постоянна, при протекании обратимых процессов – постоянна, а при необратимых процессах возрастает) привлекло внимание ученых к процессам, происходящим на микро– и макроуровнях. Оказалось, что суть процессов зависит от того, в какой системе мы их рассматриваем.

Исходя из особенностей нашего восприятия, к процессам микроуровня относятся те, которые происходят на молекулярном уровне, к процессам макроуровня относятся процессы в телах, соразмерных человеку. Соответственно, макросостояние определяется макропараметрами (давление, температура, объем и т. п.), которые измеряются макроприборами. Микросостояние касается состояния молекул, входящих в состав макротела. Термодинамика занимается процессами на макроуровне, то есть макросостоянием системы.

Молекулярно-кинетическая теория занимается процессами, происходящими в макротелах на микроуровне, то есть микросостояниями макротел. Выявив в макромире понятие энтропии, ученые обратились с макроуровня на микроуровень, чтобы понять, распространяются ли законы макромира на микромир.

В результате экспериментов Больцмана с мечеными молекулами в разделенном на две половины сосуде было выяснено, что вероятность нахождения N меченых молекул в одной половине сосуда определяется согласно формуле как W = (1/2) · N, вероятность же нахождения N меченых молекул во всем сосуде, естественно, равна 1.

Для вероятности определенного состояния системы статистическая физика ввела понятие статистического веса , то есть числа способов, которыми данное состояние может быть реализовано. Для микросистемы характерно стремление перехода из состояния с меньшей вероятностью в состояние с большей вероятностью, от изолированной структуры – к полной равновесности. При наличии в системе двух подсистем W1 и W2статистический вес всей системы примет значение W = W1· W2, а общая энтропия – значение суммы энтропий подсистем S = S1 + S2.

Выразив статистический вес системы через логарифм, Больцман вывел формулу: LnW = S1 + S2, которую усовершенствовал Планк: S = k · LnW, где k – коэффициент пропорциональности, или так называемая постоянная Больцмана.

Исследования Больцмана положили начало работам с так называемыми большими системами, то есть системами микроуровня, которые настолько малы и присутствуют в таком количестве, что не могут быть полностью сосчитаны и учтены. В микромире невозможно также вести наблюдение за одной избранной молекулой (а позже – частицей), поскольку невозможно отличить одну молекулу или частицу от другой. Максвелл, пытаясь определить параметры, позволяющие как-то классифицировать молекулы, нашел два: распределение молекул по скоростям и энергии. Он же для описания случайного поведения молекул газа ввел понятие вероятности, вероятностный (статистический закон) и сформулировал закон распределения молекул по скоростям. Больцман доказал, что второй закон термодинамики является следствием статистических законов поведения частиц в больших системах.

Если в классической механике, принимая частицу за математическую точку, возможно было рассчитать ее поведение для прошлого, настоящего и будущего, то в больших системах законы классической механики оказывались неприложимыми. В термодинамике и статистической физике на место классических законов динамики встали статистические законы, которые неспособны дать точное описание состояния определенной частицы, а могут описать предположительное состояние одной из возможных частиц; точность в таких системах заменяется вероятностью. В классической физике вероятность подразумевает неточность, воспринимается как ошибка или недостаток, результат всегда определенный и может быть сосчитан.

В статистической физике результат предположителен и для отдельной частицы представляет ряд возможностей. Процессы в термодинамических системах необратимы и вероятностны, поэтому они не могут быть полностью управляемыми.

Главным отличием законов макро– и микромира является, по мнению Максвелла, то, что в системах с малым количеством объектов следствием статистических законов должно стать нарушение второго начала термодинамики. То есть законы термодинамики неприменимы для классической физики. В то же время законы статистической физики и теории вероятности оказались приложимыми к биологическим системам как одной из разновидностей больших систем: ученые ввели понятие случайности для описания передачи признаков при естественном отборе, спонтанных мутациях и т. д.