Увеличение энтропии при переходе

 из упорядоченного в неупорядоченное состояние

Еще до возникновения статистической термодинамики и даже до перехода к молекулярно-кинетическим представлениям о природе теплоты были известны два основных закона термодинамики, которые обобщали известные к тому времени опытные факты. Один их них - первое начало термодинамики - являлся фактически законом сохранения энергии и формулировался следующим образом: количество теплоты Q, сообщенное системе (например, газу), равно сумме приращения ее внутренней энергии U и совершенной механической работы A:

Q = U + A.                                              (2.4.2)

Этот закон, однако, ничего не говорил о направлении протекания тепловых процессов. Например, ему не противоречит замерзание некоторого объема воды, помещенного в раскаленную печку. Необратимость тепловых процессов отражает специальный закон -второе начало термодинамики,имеющий несколько эквивалентных формулировок, таких как:

- тепло не может самопроизвольно перетекать от холодного тела к горячему;

- нельзя построить вечный двигатель 2-го рода, который совершал бы полезную работу только за счет охлаждения теплового резервуара;

- энтропия замкнутой системы является неубывающей функцией, т. е. при любом реальном процессе она либо возрастает, либо остается неизменной.

Понятие энтропии, введенной в термодинамику Клаузиусом, носило первоначально искусственный характер. По определению Клаузиуса, энтропией называется такая физическая величина, приращение которой S равно количеству тепла Q, полученному системой, деленному на абсолютную температуру

S = Q / T.                                            (2.4.3)

Если два тела, имеющие разные температуры Т₁ и Т₂ (Т₁>Т₂), привести в тепловой контакт, то изменение энтропии этой системы S будет складываться из изменения энтропии первого тела S₁ и изменения энтропии второго тела S₂: S = S₁ + S₂. Пусть первое тело, как более горячее, отдает второму небольшое количество тепла Q, тогда S₁ = - Q/T₁, S₂ = Q/T₂, S = Q (1/T₂ - 1/T₁) >0. Таким образом, при перетекании тепла от горячего тела к холодному энтропия системы, действительно, возрастает.

Физическая сущность понятия энтропии была «вскрыта» статистической механикой. Оказалось, что энтропия S - это не что иное как умноженный на постоянную Больцмана k = 1,38 × 10^-23 Дж/К натуральный логарифм вероятности Р данного состояния макроскопической системы

S = k lnP.                                                  (2.4.4)

При таком определении энтропии становится понятным, что возрастание энтропии замкнутой системы - это всего лишь естественный переход системы в наиболее вероятное состояние. С понятием вероятности состояния, а следовательно, с энтропией связано представление об упорядоченности системы. Чем больше порядок в системе (например, все молекулы идеального газа находятся в одной точке пространства), тем меньше ее энтропия и меньше вероятность такого состояния. Наоборот, чем меньше упорядочена система - тем больше ее энтропия, больше вероятность такого состояния. Таким образом, статистический смысл второго начала термодинамики заключается в том, что изолированные системы самопроизвольно переходят из упорядоченного в неупорядоченные состояния.

Лекция 7

Тема лекции: Физическая картина мира – 3. Современные астрофизические и космологические концепции

План лекции

Микромир и основные концепции неклассического естествознания. Зарождение квантовых представлений в физике. Гипотеза М.Планка для объяснения законов теплового излучения. Развитие квантовых представлений А.Эйнштейном для объяснения фотоэффекта. Планетарная модель атома Э.Резерфорда. Постулаты Бора. Боровская модель атома водорода. Гипотеза де Бройля. Корпускулярно-волновой дуализм материи. Описание микрочастиц в квантовой механике. Волновая функция. Уравнение Шредингера. Квантовые числа. Соотношение неопределенностей Гейзенберга.

Фундаментальные взаимодействия. Элементарные частицы и их свойства. Стандартная модель элементарных частиц. Частицы-источники взаимодействий и частицы-переносчики взаимодействий. Лептоны и адроны. Кварковая модель адронов. На пути к единой фундаментальной теории материи.

Звездная форма бытия космической материи. Характеристики звезд. Галактики. Эволюция звезд. Современные космологические модели Вселенной. Происхождение и развитие Вселенной.

 Микромир и основные концепции