Статистические и микродинамические св-ва микросистем

Второе начало термодинамики определяет направление протекания происходящих в природе процессов. Его можно сформулировать несколькими способами.

Наиболее очевидная формулировка второго начала принадлежит Клаузиусу: теплота не может сама собой переходить от тела, менее нагретого, к телу более нагретому.

Второе начало, записанное в дифференциальной форме, постулирует существование дифференциала энтропии (dS) и является его определением: .

Второе начало термодинамики, определяющее направление тепловых процессов, можно сформулировать как закон возрастания энтропии: для всех происходящих в замкнутой системе тепловых процессов энтропия системы возрастает; максимально возможное значение энтропии замкнутой системы достигается в тепловом равновесии:

∆S ≥ 0

Данное утверждение принято считать количественной формулировкой второго начала термодинамики (второго закона термодинамики), открытого немецким физиком Р. Ю. Клаузиусом (1822—1888).

M oлекулярно-кинетическое истолкование этого закона дано австрийским физиком Л. Больцманом (1804−1906). Идеальному случаю — полностью обратимо процессу замкнутой системы — соответствует неизменяющаяся энтропия. Все естественные процессы происходят так, что вероятность состояния возрастает, что означает переход от порядка к хаосу. Значит, энтропия характеризует меру хаоса, которая для всех естественных процессов возрастает. В этой связи закон невозможности вечного двигателя второго рода, закон о стремлении тел к равновесному состоянию получают свое объяснение.

Почему механическое движение переходит в тепловое? Да потому, что механическое движение упорядочено, а тепловое беспорядочно, хаотично.

В середине XIX в. активно обсуждалась проблема тепловой смерти Вселенной. Рассматривая Вселенную как замкнутую систему и применяя к ней второе начало термодинамики, Р. Ю. Клаузиус свел его содержание к утверждению, что энтропия Вселенной должна достигнуть своего максимума. Это означает, что все формы движения со временем должны перейти в тепловые. Переход же теплоты от горячих тел к холодным приведет к тому, что температура всех тел во Вселенной сравняется, т. е. наступит полное тепловое равновесие и все процессы во Вселенной прекратятся — наступит тепловая смерть Вселенной. Ошибочность вывода о тепловой смерти заключается в том, что бессмысленно применять второе начало термодинамики к незамкнутым системам, например к такой безграничной и бесконечно развивающейся системе, как Вселенная.

Энтропия является количественной характеристикой, определяющий характер процессов (равновесный, неравновесный), направление протекания (обратимый, необратимый) и вероятность процессов. Энтропия характеризует меру разупорядоченности системы.

Поскольку тепловое движение молекул является хаотичным, беспорядочным, то с помощью энтропии можно определить степень молекулярного беспорядка (хаоса). С другой стороны, степень разупорядоченности системы можно характеризовать так называемой термодинамической вероятностью состояния (статистическим весом) W.

Термодинамическая вероятность (W) — это число различных способов, которыми может быть осуществлено данное состояние W1. Однако пользоваться термодинамической вероятностью для количественной оценки направленности протекания процессов неудобно, так как в случае нескольких систем необходимо прибегать к перемножению вероятностей. Удобнее, если бы удалось ограничится суммированием каких-то величин.

Свойства энтропии:

1) если движение системы абсолютно упорядочено, то W=1 и S=0;

2) энтропия изолированной системой не может быть <0, поскольку в этом случае не может быть меньше единицы термодинамическая вероятность;

3) при необратимых процессах энтропия возрастает. Действительно, если, например, рассмотреть процесс расширения газа в пустоту, то при этом число способов которыми может быть осуществлено новое состояние больше, чем прежнее, т. е., а поэтому ;

4) уменьшаться энтропия может только в случае неизолированной системы.

Если первое начало термодинамики справедливо для любых систем, то второе начало — только для изолированных систем, т. е. таких, которые защищены от внешнего мира непрозрачной оболочкой и не обмениваются с окружающей средой энергией и веществом.

В самом деле, из формулы Больцмана следует, что, когда температура всех тел Вселенной сравняется, т. е. S = Smax, должно было бы наступить тепловое равновесие или тепловая смерть Вселенной. Но этого не произойдёт, так как Вселенная — это открытая система, т. е. она обменивается с окружающей средой энергией, веществом и информацией.

Если энтропия изолированной системы при протекании в ней реальных процессов может только увеличиваться, достигая максимума в состоянии равновесия, то энтропия открытой системы может также уменьшаться.

Таким образом, за счёт того, что Земля получает высококачественное излучение и отдаёт более низкокачественное, приращение энтропии отрицательно. Это способствует упорядоченности системы, например: развитию эмбриона и других объектов живой природы.

Человек — также открытая система, и приращение его энтропии также отрицательно в период его роста, в период старения приращение энтропии становится положительным за счёт апоптоза — запрограммированного старения и гибели клеток. Апоптоз обусловлен наличием у клетки генетического кода. Как писал один стареющий физик: «Меня съедает энтропия и целиком, и по частям». Когда энтропия достигает максимального значения, система становится изолированной и наступает смерть.

Заключение

Все упомянутые в работе законы и принципы применяются в современной физике, космологии, а также в интенсивно развивающемся сейчас направлении естествознания, изучающего природу в целом. Нельзя утверждать, что статистические законы более точны и более применимы в описании явлений вокруг нас по сравнению с динамическими закономерностями и принципами. Каждая из предложенных к рассмотрению совокупность законов рассматривает абсолютно неидентичные процессы, да и протекают они (эти процессы) совершенно по-разному. Поэтому и произошло такое разделение рассмотрения свойств системных качеств на две составные части: термодинамические и статистические.

Современная физика изучает огромнейшее количество различных процессов в природе. Не все из них поддаются изучению и объяснению. Безусловно многое человеку еще не известно, а если известно то может быть не объяснено сейчас. Тем не менее наука идет вперед и общие (классические) концепции существования природы известны уже сейчас.

Процессы протекающие вокруг нас, не всегда поддаются точному объяснению. Как раз на этом этапе перед человеком и встала проблема создания таких моделей и методов познания, которые бы смогли объяснить непознанное. Несомненно, в решении этой нелегкой задачи главную роль сыграло не только физическое толкование и применение физики, а пришлось обращаться к философии, математике, к прикладной математике и ряду других точных наук. Результатом этого является постепенное постижение истины.

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания. — М.: Оникс, 2003.

Горелов А. А. Концепции современного естествознания. — М.: Центр, 1998.

Дягилев Ф. М. Концепции современного естествознания. — М.: Институт международного права и экономики им. А. С. Грибоедова, 1998.

Карпенков С. Х. Концепции современного естествознания. — М.: Высшая школа, 2000.

Дубнищева Т. Я. Концепции современного естествознания. — М.: Маркетинг, 2001.

Концепции современного естествознания. Под редакцией Лавриненко В. Н., Ратникова В. П. — М.: ЮНИТИ, 2000.

Концепции современного естествознания: Учебное пособие для студентов гуманитарных факультетов университетов./ Под общей ред. В. А. Любичанковского. — 4-е изд., доп. — Оренбург: ОГУ, 2000.

Лобачев А. И. Концепции современного естествознания. — М.: ЮНИТИ, 2001.

Рузавин Г. И. Концепции современного естествознания. Учебник для вузов. — М.: Культура и спорт, ЮНИТИ, 1997.

Солопов Е. Ф. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. — М.: Гуманит. Изд. Центр ВЛАДОС, 1998.

Фигуровский Е.Н., Шпиченецкий Б. Я. Концепции современного естествознания: учебное пособие. — Москва, 2005

Дягилев Ф. М. Концепции современного естествознания. — М.: Институт международного права и экономики им. А. С. Грибоедова, 1998.

Дубнищева Т. Я. Концепции современного естествознания. — М.: Маркетинг, 2001.

Солопов Е. Ф. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. — М.: Гуманит. Изд. Центр ВЛАДОС, 1998.

Лобачев А. И. Концепции современного естествознания. — М.: ЮНИТИ, 2001.

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания. — М.: Оникс, 2003.

Карпенков С. Х. Концепции современного естествознания. — М.: Высшая школа, 2000.

Горелов А. А. Концепции современного естествознания. — М.: Центр, 1998.

Дубнищева Т. Я. Концепции современного естествознания. — М.: Маркетинг, 2001.

Рузавин Г. И. Концепции современного естествознания. Учебник для вузов. — М.: Культура и спорт, ЮНИТИ, 1997.

Концепции современного естествознания: Учебное пособие для студентов гуманитарных факультетов университетов./ Под общей ред. В. А. Любичанковского. — 4-е изд., доп. — Оренбург: ОГУ, 2000.

Концепции современного естествознания. Под редакцией Лавриненко В. Н., Ратникова В. П. М.: ЮНИТИ, 2000.

Солопов Е. Ф. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. — М.: Гуманит. Изд. Центр ВЛАДОС, 1998.

Фигуровский Е.Н., Шпиченецкий Б. Я. Концепции современного естествознания: учебное пособие. — Москва, 2005

Дягилев Ф. М. Концепции современного естествознания. — М.: Институт международного права и экономики им. А. С. Грибоедова, 1998.

Адроны