Protsesside pöördumatus, füüsika. Pööratavad ja pöördumatud protsessid

Termodünaamika teine seadus väidab looduses toimuvate protsesside pöördumatuse fakti, kuid ei anna sellele mingit selgitust. Selle seletuse võib saada ainult molekulaarkineetilise teooria põhjal ja see pole kaugeltki lihtne.

Vastuolu mikroprotsesside pöörduvuse ja makroprotsesside pöördumatuse vahel

Makroprotsesside pöördumatus näib paradoksaalne, sest kõik mikroprotsessid on ajas pöörduvad. Üksikute mikroosakeste liikumisvõrrandid, nii klassikalised kui ka kvant, on ajas pöörduvad, kuna need ei sisalda kiirusest sõltuvaid hõõrdejõude. Hõõrdejõud on makroskoopiline efekt, mis tuleneb suure keha koosmõjust tohutu hulga keskkonnamolekulidega ning selle jõu enda välimus vajab selgitamist. Jõud, mille kaudu mikroosakesed interakteeruvad (peamiselt elektromagnetilised jõud), on ajas pöörduvad. Maxwelli võrrandid, mis kirjeldavad elektromagnetilist vastasmõju, ei muutu asendamisel t peal - t.

Kui võtame gaasi lihtsaima mudeli - elastsete kuulide komplekti, siis gaas tervikuna näitab teatud käitumissuunda. Näiteks kui see on pooleks anumast kokku surutud, hakkab see laienema ja hõivab kogu anuma. Ta ei kahane enam. Iga molekuli-kuuli liikumisvõrrandid on ajas pööratavad, kuna sisaldavad ainult jõude, mis sõltuvad kaugustest ja avalduvad molekulide kokkupõrkes.

Seega pole ülesandeks mitte ainult pöördumatuse päritolu selgitamine, vaid ka mikroprotsesside pöörduvuse fakti ühitamine makroprotsesside pöördumatuse faktiga.

Au selle probleemi lahendamiseks põhimõtteliselt õige lähenemisviisi leidmise eest kuulub Boltzmannile. Tõsi, mõned pöördumatuse probleemi aspektid pole veel ammendavat lahendust saanud.

Igapäevane näide pöördumatusest

Toome lihtsa igapäevase näite, mis oma triviaalsusele vaatamata on otseselt seotud pöördumatuse probleemi lahendamisega Boltzmanni poolt.

Oletame, et esmaspäeval otsustasite alustada uut elu. Selle sine qua non on tavaliselt täiuslik või peaaegu täiuslik kord töölaual. Asetate kõik esemed ja raamatud rangelt määratletud kohtadesse ja teie laual valitseb seisund, mida võib õigusega nimetada "korra" olekuks.

Mis aja jooksul juhtub, on hästi teada. Unustate esemeid ja raamatuid rangelt määratletud kohtadesse panna ning laual valitseb kaoseseisund. Pole raske aru saada, millega tegu. "Korra" olek vastab ainult ühele kindlale objektide paigutusele ja "kaose" seisund võrreldamatult suuremale arvule. Ja niipea, kui objektid hakkavad hõivama suvalisi positsioone, mida teie tahe ei kontrolli, tekib lauale loomulikult tõenäolisem kaoseseisund, mille realiseerib palju suurem arv objektide jaotust laual.

Põhimõtteliselt väljendas Boltzmann just selliseid kaalutlusi makroprotsesside pöördumatuse selgitamiseks.

Mikroskoopilised ja makroskoopilised olekud

Kõigepealt on vaja eristada süsteemi makroskoopilist olekut ja selle mikroskoopilist olekut.

Makroskoopilist olekut iseloomustavad mõned termodünaamilised parameetrid (rõhk, maht, temperatuur jne), aga ka sellised mehaanilised suurused nagu massikeskme asukoht, massikeskme kiirus jne. olekut kui tervikut iseloomustavad makroskoopilised suurused, millel on praktiline tähtsus.

Eespool toodud igapäevases näites, kus objektid on laual, saab tutvustada mikro- ja makroolekute mõisteid. Mikroseisund vastab ühele konkreetsele objektide paigutusele ja makroseisund olukorra kui terviku hinnangule: kas “kord” või “kaos”.

See on üsna ilmne teatud makroolekut saab realiseerida tohutul hulgal erinevatel mikroolekutel. Nii et näiteks ühe molekuli üleminek antud ruumipunktist teise punkti või selle kiiruse muutumine kokkupõrke tagajärjel muudab süsteemi mikroolekut, kuid loomulikult ei muuda termodünaamilisi parameetreid ja , järelikult süsteemi makroolek.

Nüüd tutvustame hüpoteesi, mis pole nii ilmne kui eelmised väited: kõik suletud süsteemi mikroskoopilised olekud on võrdselt tõenäolised; ükski neist ei ole eraldi välja toodud, ei ole eelispositsioonil. See oletus on tegelikult samaväärne molekulide soojusliikumise kaootilisuse hüpoteesiga.

Energia jäävuse seadus ütleb, et energia hulk igas selle teisenduses jääb muutumatuks. Kuid ta ei ütle midagi selle kohta, millised energiamuutused on võimalikud. Samal ajal ei toimu paljud protsessid, mis on energia jäävuse seaduse seisukohalt täiesti lubatavad, tegelikkuses kunagi.

Kuumutatud kehad jahtuvad iseenesest, kandes oma energia üle külmematele ümbritsevatele kehadele. Pöördprotsess soojuse ülekandmisel külmalt kehalt kuumale ei ole vastuolus energia jäävuse seadusega, kuid tegelikult seda ei toimu.

Veel üks näide. Tasakaaluasendist välja võetud pendli võnkumised vaibuvad (joonis 5.11; 1, 2, 3, 4 - pendli järjestikused asendid maksimaalsetel kõrvalekalletel tasakaaluasendist). Hõõrdejõudude töö tõttu mehaaniline energia väheneb, pendli ja ümbritseva õhu temperatuur veidi tõuseb. Energeetiliselt on lubatud ka pöördprotsess, kui pendli enda ja keskkonna jahtumise tõttu pendli võnkumiste amplituud suureneb. Kuid sellist protsessi pole kunagi täheldatud. Mehaaniline energia muundub spontaanselt siseenergiaks, kuid mitte vastupidi. Sel juhul muutub keha kui terviku korrastatud liikumine selle koostisosade molekulide ebakorrapäraseks soojusliikumiseks.

Selliste näidete arvu saab peaaegu lõputult suurendada. Kõik nad ütlevad, et looduses toimuvatel protsessidel on teatud suund, mis termodünaamika esimeses seaduses kuidagi ei kajastu. Kõik protsessid looduses kulgevad ainult ühes kindlas suunas. Vastassuunas ei saa nad spontaanselt voolata. Kõik looduses toimuvad protsessid on pöördumatud ning kõige traagilisemad neist on organismide vananemine ja surm.

Teeme selgeks pöördumatu protsessi mõiste. Pöördumatuks protsessiks võib nimetada sellist protsessi, mille tagurpidi saab toimuda vaid ühe lülina keerulisemas protsessis.. Seega saab pendli näites jällegi pendli amplituudi tõsta, seda käega surudes. Kuid see amplituudi suurenemine ei toimu iseenesest, vaid saab võimalikuks keerukama protsessi, sealhulgas käetõuke tulemusena. Põhimõtteliselt on võimalik soojust külmalt kehalt kuumale üle kanda, kuid selleks on vaja energiat tarbivat külmutusseadet vms.

Matemaatiliselt väljendub mehaaniliste protsesside pöördumatus selles, et makroskoopiliste kehade liikumisvõrrandid muutuvad koos ajamärgi muutumisega. Väidetavalt ei ole nad teisenduse t -> -t korral muutumatud. Kiirendus ei muuda t -> -t märki. Ka kaugustest sõltuvad jõud ei muuda märki. Kui t asendada -t-ga, muutub märk kiirusega. Sellepärast, kui tööd tehakse kiirusest sõltuvate hõõrdejõudude abil, muutub keha kineetiline energia pöördumatult siseenergiaks.

Hea näide looduses toimuvate nähtuste pöördumatusest on filmi tagurpidi vaatamine. Näiteks laualt alla kukkuv kristallvas näeks välja selline. Põrandal lebava vaasi killud tormavad üksteisele vastu ja moodustavad omavahel kokku puutudes terve vaasi. Siis tõuseb vaas püsti ja seisab nüüd vaikselt laual. See, mida me ekraanil näeme, võib tegelikult juhtuda, kui protsesse saaks ümber pöörata. Toimuva absurdsus tuleneb sellest, et oleme harjunud protsesside teatud suunaga ega luba nende vastupidise kulgemise võimalust. Kuid selline protsess nagu vaasi fragmentidest taastamine ei ole vastuolus ei energia jäävuse seaduse ega mehaanika seadustega ega üldiselt ühegi seadusega, välja arvatud termodünaamika teine seadus, mille sõnastame järgmises. lõik.

Looduses toimuvad protsessid on pöördumatud. Kõige tüüpilisemad pöördumatud protsessid on:

soojuse ülekandmine kuumalt kehalt külmale;
mehaanilise energia muundamine siseenergiaks.

Definitsioon 1

Pööratavaks protsessiks loetakse füüsikas protsessi, mida on võimalik läbi viia vastupidises suunas nii, et süsteem allub samade olekute läbimisele, kuid vastupidises suunas.

Joonis 1. Pööratavad ja pöördumatud protsessid. Autor24 - üliõpilastööde veebivahetus

Definitsioon 2

Pöördumatuks protsessiks loetakse protsessi, mis kulgeb spontaanselt ainult ühes suunas.

Termodünaamiline protsess

Joonis 2. Termodünaamilised protsessid. Autor24 - üliõpilastööde veebivahetus

Termodünaamiline protsess on süsteemi olekute pidev muutumine, mis toimub selle vastasmõjul keskkonnaga. Sel juhul loetakse vähemalt ühe olekuparameetri muutust protsessi väliseks märgiks.

Reaalsed olekumuutuse protsessid toimuvad süsteemi ja keskkonna vahel oluliste kiiruste ja potentsiaalsete erinevuste (rõhu ja temperatuuri) olemasolul. Sellistes tingimustes ilmneb parameetrite ja olekufunktsioonide keeruline ebaühtlane jaotus, mis põhineb mittetasakaalu olekus oleva süsteemi mahul. Termodünaamilisi protsesse, mis hõlmavad süsteemi läbimist läbi mitmete mittetasakaaluliste olekute, nimetatakse mittetasakaalulisteks.

Mittetasakaaluliste protsesside uurimist peetakse teadlaste jaoks kõige keerulisemaks ülesandeks, kuna termodünaamika raames väljatöötatud meetodeid kohandatakse peamiselt tasakaaluolekute uurimiseks. Näiteks mittetasakaalulist protsessi on väga raske arvutada, kasutades tasakaalutingimustele kohaldatavaid gaasi olekuvõrrandeid, samas kui rõhul ja temperatuuril on süsteemi kogu ruumala suhtes võrdsed väärtused.

Mittetasakaalulise protsessi ligikaudne arvutamine oleks võimalik, asendades võrrandisse olekuparameetrite keskmised väärtused, kuid enamikul juhtudel muutub parameetrite keskmistamine süsteemi mahu ulatuses võimatuks.

Tehnilises termodünaamikas eeldatakse reaalsete protsesside uurimise raames olekuparameetrite jaotust tinglikult ühtlaseks. See omakorda võimaldab kasutada saadud olekuvõrrandeid ja muid arvutusvalemeid parameetrite ühtseks jaotamiseks süsteemis.

Mõnel konkreetsel juhul on sellisest lihtsustusest tulenevad vead tähtsusetud ja neid ei pruugita reaalsete protsesside arvutamisel arvesse võtta. Kui ebaühtluse tõttu erineb protsess oluliselt ideaalsest tasakaalumudelist, siis tehakse arvutusse vastavad parandused.

Süsteemis ühtlaselt jaotunud parameetrite tingimused selle oleku muutumisel eeldavad sisuliselt idealiseeritud protsessi võtmist uurimisobjektiks. Sel juhul koosneb selline protsess lõpmatult suurest arvust tasakaaluolekutest.

Sellist protsessi on võimalik kujutada nii aeglaselt kulgeva protsessi vormingus, et igal konkreetsel ajahetkel tekib süsteemis praktiliselt tasakaaluseisund. Sellise protsessi tasakaalule lähendamise aste on seda suurem, seda väiksem on süsteemi muutumise kiirus.

Piirväärtuses jõuame lõpmatult aeglase protsessini, mis tagab tasakaaluolekute pideva muutuse. Sellist oleku tasakaalumuutuse protsessi nimetatakse kvaasistaatiliseks (või justkui staatiliseks). Seda tüüpi protsess vastab lõpmatult väikesele potentsiaalsele erinevusele süsteemi ja keskkonna vahel.

3. määratlus

Kvaasistaatilise protsessi vastupidises suunas läbib süsteem olekuid, mis on sarnased otseses protsessis esinevate olekutega. Seda kvaasistaatiliste protsesside omadust nimetatakse pöörduvuseks ja protsessid ise on pöörduvad.

Pööratav protsess termodünaamikas

Joonis 3. Pööratav protsess termodünaamikas. Autor24 - üliõpilastööde veebivahetus

4. definitsioon

Pööratav protsess (tasakaal) - kujutab endast termodünaamilist protsessi, mis on võimeline kulgema nii edasi- kui ka vastassuunas (samade vaheolekute läbimise tõttu), samal ajal kui süsteem naaseb ilma energiakuludeta algsesse olekusse ja puuduvad makroskoopilised muudatusi.

Pööratava protsessi saab panna voolama vastupidises suunas absoluutselt igal ajahetkel, mis on tingitud mis tahes sõltumatu muutuja muutumisest lõpmata väikese summa võrra. Pööratavad protsessid võivad anda kõige rohkem tööd. Süsteemist on võimatu mitte mingil juhul palju tööd saada. See annab teoreetilise tähtsuse pööratavatele protsessidele, mida on samuti ebareaalne praktikas rakendada.

Sellised protsessid kulgevad lõpmatult aeglaselt ja neile saab vaid läheneda. Oluline on märkida olulist erinevust protsessi termodünaamilise ja keemilise pöörduvuse vahel. Keemiline pöörduvus iseloomustab protsessi suunda ja termodünaamiline - viisi, kuidas see läbi viiakse.

Pöörduva protsessi ja tasakaaluoleku mõisted mängivad termodünaamikas väga olulist rolli. Seega on iga termodünaamika kvantitatiivne järeldus rakendatav eranditult tasakaaluolekute ja pöörduvate protsesside puhul.

Termodünaamika pöördumatud protsessid

Pöördumatut protsessi ei saa läbi viia vastassuunas kõigi samade vaheolekute kaudu. Kõiki reaalseid protsesse peetakse füüsikas pöördumatuteks. Järgmised on selliste protsesside näited:

difusioon;
termiline difusioon;
soojusjuhtivus;
viskoosne vool jne.

Kineetilise energia (makroskoopilise liikumise jaoks) üleminek soojuseks hõõrdumise kaudu (süsteemi siseenergiasse) on pöördumatu protsess.

Kõik looduses toimuvad füüsikalised protsessid jagunevad pöörduvateks ja pöördumatuteks. Laske isoleeritud süsteemil mingi protsessi tõttu teha üleminek olekust A olekusse B ja seejärel naasta algsesse olekusse.

Protsess muutub sel juhul pöörduvaks tingimusel, et tõenäoliselt toimub pöördüleminek olekust B asendisse A sarnaste vaheolekute kaudu nii, et ümbritsevatesse kehadesse ei jää absoluutselt mingeid muutusi.

Kui sellise ülemineku teostamine on võimatu ja kui protsessi lõpus säilivad muutused ümbritsevates kehades või süsteemis endas, siis osutub protsess pöördumatuks.

Iga protsess, millega kaasneb hõõrdumise nähtus, muutub pöördumatuks, sest hõõrdumise tingimustes muutub osa tööst alati soojuseks, see hajub, protsessist (kuumenemisest) jääb ümbritsevatesse kehadesse jälg, mis muudab protsessi (hõõrdumise osalusel) pöördumatuks.

Näide 1

Ideaalne mehaaniline protsess, mis viiakse läbi konservatiivses süsteemis (ilma hõõrdejõududeta), muutuks pöörduvaks. Sellise protsessi näiteks võib pidada võnkumisi raske pendli pikal vedrustusel. Söötme ebaolulise takistuse tõttu muutub pendli võnkumiste amplituud pika aja jooksul praktiliselt muutumatuks, võnkuva pendli kineetiline energia muundub sel juhul täielikult potentsiaalseks energiaks ja vastupidi.

Kõigi soojusnähtuste (milles osaleb tohutult palju molekule) kõige olulisem põhiomadus on nende pöördumatu iseloom. Sellise protsessi näide on gaasi (eriti ideaalse) paisumine vaakumiks.

Niisiis täheldatakse looduses kahte tüüpi põhimõtteliselt erinevate protsesside olemasolu:

pööratav;
pöördumatu.

M. Plancki ühekordse väite kohaselt on selliste protsesside, nagu pöördumatu ja pöörduv, erinevused palju sügavamad kui näiteks elektriliste ja mehaaniliste protsesside vahel. Sel põhjusel on mõistlikum (võrreldes mis tahes muu märgiga) valida see esimeseks printsiibiks füüsikaliste nähtuste käsitlemise raames.

Saada oma head tööd teadmistebaasi on lihtne. Kasutage allolevat vormi

Üliõpilased, magistrandid, noored teadlased, kes kasutavad teadmistebaasi oma õpingutes ja töös, on teile väga tänulikud.

Majutatud aadressil http://www.allbest.ru/

Looduses toimuvate protsesside pöördumatuse statistiline tõlgendamine

Vastuolu mikroprotsesside pöörduvuse ja makroprotsesside pöördumatuse vahel.

Seega pole ülesandeks mitte ainult pöördumatuse päritolu selgitamine, vaid ka mikroprotsesside pöörduvuse fakti ühitamine makroprotsesside pöördumatuse faktiga.

Au selle probleemi lahendamiseks põhimõtteliselt õige lähenemisviisi leidmise eest kuulub Boltzmannile. Tõsi, mõned pöördumatuse probleemi aspektid pole veel ammendavat lahendust saanud.

Toome lihtsa igapäevase näite, mis oma triviaalsusele vaatamata on otseselt seotud pöördumatuse probleemi lahendamisega Boltzmanni poolt.

Mis aja jooksul juhtub, on hästi teada. Unustate esemeid ja raamatuid rangelt määratletud kohtadesse panna ning laual valitseb kaoseseisund. Pole raske aru saada, millega tegu. "Korra" olek vastab ainult "objektide teatud paigutuse põhjale ja" kaose olek "- võrreldamatult suurem arv. Ja niipea, kui objektid hakkavad võtma suvalisi positsioone, mida teie tahe ei kontrolli, tekib lauale loomulikult tõenäolisem kaoseseisund, mida mõistab palju suurem arv: laual olevate objektide määratlused.

Põhimõtteliselt väljendas Boltzmann just selliseid kaalutlusi makroprotsesside pöördumatuse selgitamiseks.

Kõigepealt on vaja eristada süsteemi makroskoopilist olekut ja selle mikroskoopilist olekut.

Mikroskoopilist olekut iseloomustatakse üldjuhul kõigi süsteemi (makroskoopilise keha) moodustavate osakeste koordinaatide ja kiiruste (ehk momentide) seadmisega. See on süsteemi võrreldamatult detailsem omadus, mille tundmist makroskoopiliste kehadega protsesside kirjeldamiseks üldse ei nõuta. Pealegi on teadmised mikroolekust tegelikult kättesaamatud makrokehasid moodustavate osakeste tohutu hulga tõttu. Eespool toodud igapäevases näites, kus objektid on laual, saab tutvustada mikro- ja makroolekute mõisteid. Mikroseisund vastab ühele konkreetsele objektide paigutusele ja makroseisund olukorra kui terviku hinnangule: kas “kord” või “kaos”.

On üsna ilmne, et teatud makroolekut saab realiseerida tohutul hulgal erinevatel mikroolekutel. Seega näiteks ühe molekuli üleminek antud ruumipunktist teise punkti või selle kiiruse muutumine kokkupõrke tagajärjel muudab süsteemi mikroolekut, kuid loomulikult ei muuda termodünaamilisi parameetreid ja , järelikult süsteemi makroolek.

Nüüd tutvustame hüpoteesi, mis pole nii ilmne kui eelnevad väited: kõik suletud süsteemi mikroskoopilised olekud on võrdselt tõenäolised; ükski neist ei ole eraldi välja toodud, ei ole eelispositsioonil. See oletus on tegelikult samaväärne molekulide soojusliikumise kaootilisuse hüpoteesiga.

Aja jooksul asendavad mikroolekud üksteist pidevalt. Süsteemi teatud makroskoopilises olekus veedetud aeg on ilmselgelt võrdeline selle oleku realiseerivate mikroolekute Z1 arvuga. Kui Z tähistab süsteemi mikroolekute koguarvu, siis määratakse oleku W tõenäosus järgmiselt: W=Z 1 /Z

Makroskoopilise oleku tõenäosus on võrdne makroolekut realiseerivate mikroolekute arvu ja võimalike mikroolekute koguarvu suhtega.

Süsteemi üleminek kõige tõenäolisemasse olekusse

Mida rohkem on 2^, seda suurem on antud makrooleku tõenäosus ja seda kauem süsteem selles olekus on. Seega toimub süsteemi areng väikese tõenäosusega olekutest suurema tõenäosusega olekutesse ülemineku suunas. Just sellega on seotud makroskoopiliste protsesside voo pöördumatus, hoolimata üksikute osakeste liikumist reguleerivate seaduste pöörduvusest. Pöördprotsess pole võimatu, see on lihtsalt ebatõenäoline. Kuna kõik mikroolekud on võrdselt tõenäolised, võib põhimõtteliselt tekkida makrostaatus, mille realiseerib väike arv mikroolekuid, kuid see on äärmiselt haruldane sündmus. Me ei tohiks olla üllatunud, kui me neid kunagi ei näe. Kõige tõenäolisem termilise tasakaalu seisund. See vastab suurimale arvule mikroolekutele.

On lihtne mõista, miks mehaaniline energia muutub spontaanselt siseenergiaks. Keha (või süsteemi) mehaaniline liikumine on järjestatud liikumine, kui kõik kehaosad liiguvad identsel või sarnasel viisil. Järjestatud liikumine vastab väikesele arvule mikroolekutele võrreldes juhusliku soojusliikumisega. Seetõttu muutub järjestatud mehaanilise liikumise ebatõenäoline olek juhuslikuks soojusliikumiseks, mille realiseerib palju suurem arv mikroolekuid.

Soojusülekande protsess kuumalt kehalt külmale on vähem selge. Kuid ka siin on pöördumatuse olemus sama.

Soojusülekande alguses on kaks molekulide rühma: kuuma keha jaoks kõrgema keskmise kineetilise energiaga molekulid ja külma keha jaoks madala keskmise kineetilise energiaga molekulid. Kui protsessi lõpus saavutatakse termiline tasakaal, kuuluvad kõik molekulid samasse molekulide rühma, millel on sama keskmine kineetiline energia. Korrastatud olek koos molekulide jagunemisega kaheks rühmaks lakkab olemast.

Seega on protsesside pöördumatus tingitud asjaolust, et mittetasakaalulised makroskoopilised seisundid on ebatõenäolised. Need seisundid tekivad kas loomulikult Universumi evolutsiooni tulemusena või on need kunstlikult loodud inimese poolt. Näiteks saavutame tugevalt mittetasakaaluseisundid, kuumutades soojusmasina töövedelikku temperatuurini, mis on sadu kraadi võrra kõrgem ümbritseva õhu temperatuurist.

Nelja molekuli "gaasi" paisumine

Vaatleme lihtsat näidet, mis võimaldab arvutada erinevate olekute tõenäosusi ja näitab selgelt, kuidas osakeste arvu suurenemine süsteemis viib selleni, et protsessid muutuvad pöördumatuks, vaatamata mikroosakeste liikumisseaduste pöörduvusele. .

Oletame, et meil on anumas "gaas", mis koosneb ainult neljast molekulist. Esialgu asuvad kõik molekulid anuma vasakus pooles, eraldatuna paremast poolest vaheseinaga (joonis 1a). Eemaldame vaheseina ja "gaas" hakkab laienema, hõivates kogu anuma. Vaatame, kui suur on tõenäosus, et "gaas" uuesti kokku surub, st. molekulid kogunevad uuesti anuma ühes pooles.

Meie näites iseloomustab makrostaati anuma ühes pooles olevate molekulide arvu näitaja, olenemata sellest, millised molekulid siin asuvad. Mikroolekud on määratletud molekulide jaotumise järgi anuma poolte vahel, mis näitab, millised molekulid hõivavad selle poole anumast. Nummerdame molekulid numbritega 1, 2, 3, 4.

Tõenäosus, et kõik molekulid kogunevad anuma ühte poolde (näiteks vasakpoolsesse), on võrdne: 1/16, kuna see makrostaat vastab ühele mikroolekule.

Tõenäosus, et molekulid jagunevad võrdselt, on 6 korda suurem: 3/8, kuna see makrostaatus vastab kuuele mikroolekule. Tõenäosus, et anuma ühes pooles (näiteks vasakpoolses) on kolm molekuli (ja teises vastavalt üks molekul), on võrdne: 1/4.

Enamasti jaotuvad molekulid anuma pooltele ühtlaselt: see on kõige tõenäolisem olek.

Kuid ligikaudu 1/16 piisavalt suurest vaatlusperioodi intervallist hõivavad molekulid anuma ühe poole. Seega on paisumisprotsess pöörduv ja "gaas" surutakse suhteliselt lühikese aja pärast uuesti kokku.

Seega ainuüksi makrokehades leiduvate molekulide suure hulga tõttu osutuvad looduses toimuvad protsessid praktiliselt pöördumatuteks. Põhimõtteliselt on pöördprotsessid võimalikud, kuid nende tõenäosus on nullilähedane. Rangelt võttes ei lähe protsess vastuollu loodusseadustega, mille tagajärjel kogunevad molekulide juhusliku liikumise tõttu kõik ühte poolde klassi ning teise poole klassi õpilased lämbuvad. . Kuid tegelikult ei juhtunud seda sündmust minevikus ega juhtu ka tulevikus. Sellise sündmuse tõenäosus on liiga väike, et see juhtuks kogu Universumi praeguses olekus eksisteerimise ajal – umbes mitu miljardit aastat.

Kõigis protsessides on eristatud suund, kus protsessid lähevad iseenesest järjestatud olekust vähem korraldatud olekusse. Mida rohkem korda on süsteemis, seda keerulisem on seda korratusest taastada. Klaasi on võrreldamatult lihtsam lõhkuda kui uut teha ja raami sisse pista. Elusolend on palju lihtsam tappa, kui see uuesti ellu äratada, kui see on üldse võimalik. "Jumal lõi väikese vea. Kui purustate, siis see sureb" - sellise epigraafi pani Ameerika biokeemik Szent Györgyi oma raamatule "Bioenergetics".

Meie poolt tajutav aja valitud suund (“aja nool”) on ilmselgelt seotud just maailmas toimuvate protsesside suunaga.

Termodünaamika teise seaduse rakendatavuse piirid

Makroskoopiliste süsteemide kui terviku tasakaalust mittetasakaaluseisundisse ülemineku pöördprotsesside tõenäosus on väga väike. Kuid väikeste koguste puhul, mis sisaldavad väikest arvu molekule, muutub tasakaalust kõrvalekaldumise tõenäosus märgatavaks. Selliseid juhuslikke kõrvalekaldeid tasakaalust nimetatakse fluktuatsioonideks. Just gaasi tiheduse kõikumised valguse lainepikkuse suurusjärgus piirkondades seletavad valguse hajumist Maa atmosfääris ja taeva sinist värvi. Rõhu kõikumised väikestes kogustes selgitavad Browni liikumist.

Kõikumiste vaatlemine on Boltzmanni loodud makroprotsesside pöördumatuse statistilise teooria õigsuse kõige olulisem tõend. Termodünaamika teine seadus kehtib ainult süsteemide puhul, kus on tohutult palju osakesi. Väikestes kogustes muutuvad sellest seadusest kõrvalekalded märkimisväärseks.

Uudishimuliku näite termodünaamika teise seaduse väidetavalt võimalikust rikkumisest leiutas Maxwell. Arukas olend – “deemon” – juhib väga kerget siibrit vaheseinas, mis eraldab kaks sektsiooni – A ja B – sama temperatuuri ja rõhuga gaasiga. "Deemon" jälgib molekulide lendamist kuni siibrini ja avab selle ainult kiiretele molekulidele, mis liiguvad kambrist B kambrisse A. Selle tulemusena aja jooksul soojeneb gaas sektsioonis A ja sektsioonis B jahtub. Sel juhul tööd ei tehta, kuna siiber on praktiliselt kaalutu ja termodünaamika teine seadus näib olevat rikutud.

Tegelikkuses aga teist seadust ei rikuta. Oma tööks peab “deemon” saama teavet katikuni lendavate molekulide kiiruste kohta. Sama teavet on võimatu saada ilma energiat kulutamata.

Looduses toimuvate protsesside pöördumatus on seotud süsteemide sooviga minna üle kõige tõenäolisemasse olekusse, mis vastab maksimaalsele häirele.

pöörduvus mikroprotsess makroskoopiline kuumus

Majutatud saidil Allbest.ru

Sarnased dokumendid

Soojusülekande mõiste kui füüsikaline protsess soojusenergia ülekandmiseks kuumemast kehast külma, kas otse või mis tahes materjalist eraldava (keha või keskmise) vaheseina kaudu. Termodünaamika esimene seadus. Joule-Lenzi seadus.

esitlus, lisatud 10.09.2014

Soojushulga, siseenergia ja töö suhe; meetodid peamiste termodünaamiliste protsesside uurimiseks, töövedeliku oleku põhiparameetrite vahelise seose kindlakstegemiseks protsessi ajal; entalpia, entroopia muutused.

abstraktne, lisatud 23.01.2012

Aine struktuuri molekulaarteooria põhisätted. Aine molekulide liikumiskiirus. Aine üleminek gaasilisest olekust vedelasse. Intensiivse aurustamise protsess. keemistemperatuur ja rõhk. Kuumuse neeldumine keemise ajal.

esitlus, lisatud 02.05.2012

Gaasi molekulide kiirus. Sterni kogemuse ülevaade. Sündmuse tõenäosus. Gaasi molekulide jaotumise mõiste kiiruste järgi. Maxwell-Boltzmanni jaotusseadus. Maxwelli jaotusfunktsiooni sõltuvuse uurimine molekulide massist ja gaasi temperatuurist.

esitlus, lisatud 27.10.2013

Töö leidmine pöörduvates termodünaamilistes protsessides. Kombineeritud soojusvarustusega sisepõlemismootori teoreetiline tsükkel. Laienemise ja kokkutõmbumise töö. Gaasi olekuvõrrand. Soojusülekanne vaba konvektsiooni all.

kontrolltöö, lisatud 22.10.2011

Maagaasi tiheduse ja põlemissoojuse määramine. Gaasivarustussüsteemi peamiste parameetrite analüüs. Soojuse tarbimise arvutamine sooja veevarustuseks. Sise- ja välisgaasitorustiku kohaliku eelarve kalkulatsioon. Põlemisprotsesside optimeerimine.

lõputöö, lisatud 20.03.2017

Gaasi molekulide kiirus. Gaasi molekulide jaotumise mõiste kiiruste järgi. Maxwelli jaotusfunktsioon. RMS kiiruse arvutamine. Tõenäosuse matemaatiline määratlus. Ideaalsete gaasimolekulide jaotus. Kiiruse absoluutväärtus.

esitlus, lisatud 13.02.2016

Polütroopse indeksi, alg- ja lõppparameetrite, entroopia muutuse määramine antud gaasi korral. Töövedeliku parameetrite arvutamine isohoorse-isobaarse soojusvarustusega sisepõlemismootori ideaalse tsükli iseloomulikes punktides.

kontrolltöö, lisatud 03.12.2011

Molekulide kiiruse arvutamine. Gaasi ja vedeliku molekulide kiiruste erinevused. Molekulide kiiruste eksperimentaalne määramine. Praktilised tõendid aine struktuuri molekulaarkineetilise teooria järjepidevuse kohta. Pöörlemiskiiruse moodul.

esitlus, lisatud 18.05.2011

Reaalsete gaaside kirjeldus ideaalses gaasimudelis. Molekulide paigutuse tunnused gaasides. Ideaalse gaasi kirjeldus Clapeyron-Mendelejevi võrrandi abil. Van der Waalsi võrrandi analüüs. Tahkete kehade ehitus. Faaside teisendused. Oleku diagramm.