Необратимость тепловых процессов. Второй закон термодинамики. Понятие энтропии Необратимый характер тепловых процессов кратко

Согласно этому закону, энергия не может быть создана или уничтожена; она передается от одной системы к другой и превращается из одной формы в другую. Процессы, нарушающие первый закон термодинамики, никогда не наблюдались. На рис. 1.5.14 изображены устройства, запрещенные первым законом термодинамики.

Первый закон термодинамики не устанавливает направление тепловых процессов. Однако, как показывает опыт, многие тепловые процессы могут протекать только в одном направлении. Такие процессы называются необратимыми . Например, при тепловом контакте двух тел с разными температурами тепловой поток всегда направлен от более теплого тела к более холодному. Никогда не наблюдается самопроизвольный процесс передачи тепла от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой. Следовательно, процесс теплообмена при конечной разности температур является необратимым.

Обратимыми процессами называют процессы перехода системы из одного равновесного состояния в другое, которые можно провести в обратном направлении через ту же последовательность промежуточных равновесных состояний. При этом сама система и окружающие тела возвращаются к исходному состоянию.

Процессы, в ходе которых система все время остается в состоянии равновесия, называются квазистатическими . Все квазистатические процессы обратимы. Все обратимые процессы являются квазистатическими.

Если рабочее тело тепловой машины приводится в контакт с тепловым резервуаром, температура которого в процессе теплообмена остается неизменной, то единственным обратимым процессом будет изотермический квазистатический процесс, протекающий при бесконечно малой разнице температур рабочего тела и резервуара. При наличии двух тепловых резервуаров с разными температурами обратимым путем можно провести процессы на двух изотермических участках. Поскольку адиабатический процесс также можно проводить в обоих направлениях (адиабатическое сжатие и адиабатическое расширение), то круговой процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат (цикл Карно ) является единственным обратимым круговым процессом, при котором рабочее тело приводится в тепловой контакт только с двумя тепловыми резервуарами. Все остальные круговые процессы, проводимые с двумя тепловыми резервуарами, необратимы.

Необратимыми являются процессы превращения механической работы во внутреннюю энергию тела из-за наличия трения, процессы диффузии в газах и жидкостях, процессы перемешивания газа при наличии начальной разности давлений и т. д. Все реальные процессы необратимы, но они могут сколь угодно близко приближаться к обратимым процессам. Обратимые процессы являются идеализацией реальных процессов.

Первый закон термодинамики не может отличить обратимые процессы от необратимых. Он просто требует от термодинамического процесса определенного энергетического баланса и ничего не говорит о том, возможен такой процесс или нет. Направление самопроизвольно протекающих процессов устанавливает второй закон термодинамики. Он может быть сформулирован в виде запрета на определенные виды термодинамических процессов.

Английский физик У. Кельвин дал в 1851 г. следующую формулировку второго закона:

В циклически действующей тепловой машине невозможен процесс, единственным результатом которого было бы преобразование в механическую работу всего количества теплоты, полученного от единственного теплового резервуара .

Гипотетическую тепловую машину, в которой мог бы происходить такой процесс, называют «вечным двигателем второго рода». В земных условиях такая машина могла бы отбирать тепловую энергию, например, у Мирового океана и полностью превращать ее в работу. Масса воды в Мировом океане составляет примерно 10 21 кг, и при ее охлаждении на один градус выделилось бы огромное количество энергии (≈10 24 Дж), эквивалентное полному сжиганию 10 17 кг угля. Ежегодно вырабатываемая на Земле энергия приблизительно в 10 4 раз меньше. Поэтому «вечный двигатель второго рода» был бы для человечества не менее привлекателен, чем «вечный двигатель первого рода», запрещенный первым законом термодинамики.

Немецкий физик Р. Клаузиус дал другую формулировку

Необратимым называется физический процесс , который может самопроизвольно протекать только в одном определенном направлении.

В обратном направлении такие процессы могут протекать только как одно из звеньев более сложного процесса.

Необратимыми являются практически все процессы, происходящие в природе. Это связано с тем, что в любом реальном процессе часть энергии рассеивается за счет излучения, трения и т. д. Например, тепло, как известно, всегда переходит от более горячего тела к более холодному — это наиболее типичный пример необратимого процесса (хотя обратный переход не противоречит закону сохранения энергии).

Также висящий на легкой нити шарик (маятник) никогда самопроизвольно не увеличит ам-плитуду своих колебаний, наоборот, приведенный однажды в движение посторонней силой, он обязательно, в конце концов, остановится в результате сопротивления воздуха и трения нити о подвес. Таким образом, сообщенная маятнику механическая энергия переходит во внутреннюю энергию хаотического движения молекул (воздуха, материала подвеса).

Математически необратимость механических процессов выражается в том, что уравнение движения макроскопических тел изменяется с изменением знака времени: они не инвариантны при замене t на - t . При этом ускорение и силы, зависящие от расстояний, не изменяют свои знаки. Знак при замене t на - t меняется у скорости . Соответственно знак меняет сила , зависящая от скорости, — сила трения . Именно поэтому при совершении работы силами трения кинетическая энергия тела необратимо переходит во внутреннюю.

Направленность процессов в природе указывает второй закон термодинамики.

Второй закон термодинамики.

Второй закон термодинамики — один из основных законов термодинамики , устанавливающий необратимость реальных термодинамических процессов.

Второй закон термодинамики был сформулирован как закон природы Н. Л. С. Карно в 1824 г., затем У. Томсоном (Кельвином) в 1841 г. и Р. Клаузиусом в 1850 г. Формулировки закона различны, но эквивалентны.

Немецкий ученый Р. Клаузиус формулировал закон так: невозможно перевести теплоту от более холодной системы к более горячей при отсутствии других одновременных изменений в обеих системах или окружающих телах. Это означает, что теплота не может самопроизвольно пере-ходить от более холодного тела к более горячему (принцип Клаузиуса ).

Согласно формулировке Томсона процесс, при котором работа переходит в тепло без каких-либо иных изменений состояния системы, необратим, т. е. невозможно преобразовать в работу все тепло, взятое от тела, не производя никаких других изменений состояния системы (принцип Томсона ).

Закон сохранения энергии утверждает, что количество энергии при любых процессах остается неизменным. Но он ничего не говорит о том, какие энергетические превращения возможны.

Закон сохранения энергии не запрещает процессы, которые на опыте не происходят:

Нагревание более нагретого тела более холодным;

Самопроизвольное раскачивание маятника из состояния покоя;

Собирание песка в камень и т.д.

Процессы в природе имеют определенную направленность. В обратном направлении самопроизвольно они протекать не могут. Все процессы в природе необратимы (старение и смерть организмов).

Необратимым процессом может быть назван такой процесс, обратный которому может протекать только как одно из звеньев более сложного процесса. Самопроизвольными называются такие процессы, которые происходят без воздействия внешних тел, а значит, без изменений в этих телах).

Процессы перехода системы из одного состояния в другое, которые можно провести в обратном направлении через ту же последовательность промежуточных равновесных состояний, называются обратимыми . При этом сама система и окружающие тела полностью возвращаются к исходному состоянию.

Второй закон термодинамики указывает направление возможных энергетических превращений и тем самым выражает необратимость процессов в природе. Он установлен путем непосредственного обобщения опытных фактов.

Формулировка Р. Клаузиуса: невозможно перевести тепло от более холодной системы к более горячей при отсутствии одновременных изменений в обеих системах или окружающих телах.

Формулировка У. Кельвина : невозможно осуществить такой периодический процесс, единственным результатом которого было бы получение работы за счет теплоты, взятой от одного источника.

Невозможен тепловой вечный двигатель второго рода, т.е. двигатель, совершающий механическую работу за счет охлаждения какого-либо одного тела.

Объяснение необратимости процессов в природе имеет статистическое (вероятностное) истолкование.

Чисто механические процессы (без учета трения) обратимы, т.е. инвариантны (не изменяются) при замене t→ -t. Уравнения движения каждой отдельно взятой молекулы также инвариантны относительно преобразования времени, т.к. содержат только силы, зависящие от расстояния. Значит причина необратимости процессов в природе в том, что макроскопические тела содержат очень большое количество частиц.

Макроскопическое состояние характеризуется несколькими термодинамическими параметрами (давление, объем, температура и т.д.). Микроскопическое состояние характеризуется заданием координат и скоростей (импульсов) всех частиц, составляющих систему. Одно макроскопическое состояние может быть реализовано огромным числом микросостояний.

Обозначим: N- полное число состояний системы, N 1 - число микросостояний, которые реализуют данное состояние, w - вероятность данного состояния.

Чем больше N 1 , тем больше вероятность данного макросостояния, т.е. тем большее время система будет находиться в этом состоянии. Эволюция системы происходит в направлении от маловероятных состояний к более вероятным. Т.к. механическое движение - это упорядоченное движение, а тепловое - хаотическое, то механическая энергия переходит в тепловую. При теплообмене состояние, в котором одно тело имеет более высокую температуру (молекулы имеют более высокую среднюю кинетическую энергию), менее вероятно, чем состояние, в котором температуры равны. Поэтому процесс теплообмена происходит в сторону выравнивания температур.

Энтропия - мера беспорядка . S - энтропия.

где k - постоянная Больцмана. Это уравнение раскрывает статистический смысл законов термодинамики. Величина энтропии во всех необратимых процессах увеличивается. С этой точки зрения жизнь - это постоянная борьба за уменьшение энтропии. Энтропия связана с информацией, т.к. информация приводит к порядку (много будешь знать - скоро состаришься).

Тема урока: Необратимость процессов в природе. Понятие о втором начале термодинамики.

Цель урока:

1)Показать необратимость процессов в природе, сформировать представление о втором начале термодинамики;

2) Развивать представление о целостной структуре окружающего мира;

3) Воспитывать умение работать самостоятельно.

Ход урока:

Актуализация опорных знаний учащихся:

Тестовые задания для повторения(фронтальный опрос)

1. Внутренняя энергия идеального газа зависит:

А) от массы газа и давления. В) от давления газа С) от массы газа. D) от объема газа. E) от температуры газа.

2. Формула для расчета внутренней энергии идеального одноатомного газа

А) . В) С)
. D)
. E) .

3. При протекании изотермического процесса величиной, равной нулю, является

А) А´. В) А. С) ΔU. D) Q. E) PV.

4. При постоянном давлении 10 5 Па газ совершил работу 10 4 Дж. Объем газа при этом

А) увеличился на 1 м 3 . В) увеличился на 10 м 3 . С) увеличился на 0,1 м 3 . D) уменьшился на 0,1 м 3 .

E) уменьшился на 10 м 3 .

5. При протекании изохорного процесса величиной, равной нулю, является

А) ΔU. В) PV. С) А. D) Q. E) U.

6. При постоянном давлении р объем газа увеличился на Δ V . Величина, равная произведению р ·Δ V в этом случае называется:

А) работа, совершенная над газом внешними силами. В) внутренняя энергия газа.

С) количество теплоты, полученное газом. D) работа, совершенная газом. E) количество теплоты, отданное газом.

7. Работа при адиабатном расширении идеального газа совершается за счет

А) уменьшения внутренней энергии газа. В) полученного количества теплоты.

С) изменения давления. D) отданного количества теплоты. E) увеличения внутренней энергии газа.

8. При протекании адиабатного процесса величиной, равной нулю, является

А) А". В) Q. С) А. D) U. E) ΔU.

9. При изотермическом расширении идеальному газу сообщили 10 Дж тепла. Работа газа равна

А) 2,5 Дж. В) 10 Дж. С) 7,5 Дж. D) -10 Дж. E) 5 Дж.

10. При передаче газу количества теплоты 2 · 10 4 Дж он совершил работу, равную 5 · 10 4 Дж. Тогда изменение внутренней энергии

А) 5 · 10 4 Дж. В) - 3 · 10 4 Дж. С) 7 · 10 4 Дж. D) -2 · 10 4 Дж. E) 3 · 10 4 Дж.

11. Если изменение внутренней энергии составило 20 кДж, а работа, совершенная газом против внешних сил, равна 12 кДж, то газу было передано количество теплоты

А) 20 кДж. В) 10 кДж. С) 6 кДж. D) 12 кДж. E) 32 кДж.

12. При изотермическом процессе газу передано количество теплоты 2 · 10 8 Дж. Изменение внутренней энергии газа равно

А) 6 · 10 8 Дж. В) 10 8 Дж. С) 0. D) 4 · 10 8 Дж. E) 2 · 10 8 Дж.

13. Формула первого закона термодинамики для изотермического процесса (А – работа газа, А´ - работа внешних сил)

А) Q = А. В) ΔU = Q. С) ΔU = А" + Q. D) ΔU = А + А". E) ΔU = А´.

14. Процесс, в котором газ не совершает работу

А) изобарный. В) изотермический. С) адиабатный. D) изохорный. E) кипение.

15. Первый закон термодинамики был открыт на основе

А) второго закона Ньютона. В) первого закона Ньютона. С) закона сохранения энергии.

D) закона сохранения импульса. E) закона взаимосвязи массы и энергии.

Ответы: 1.Е 2А 3С 4С 5 С 6Д 7А 8В 9В 10В 11Е 12С 13А 14д 15с

II . Изучение нового материала

Задолго до открытия закона сохранения энергии Французская академия наук приняла в 1775 г. решение не рассматривать проектов вечных двигателей первого рода. Подобные решения были приняты позднее ведущими научными учреждениями других стран.

Под вечным двигателем первого рода понимают устройство, которое могло бы совершать неограниченное количество работы без затраты топлива или других материалов, т. е. без затраты энергии. Таких проектов было создано очень много. Но все они не действовали вечно, именно это привело к мнению, что здесь дело не в несовершенстве отдельных конструкций, а в общей закономерности.

Согласно I закону термодинамики, если Q = 0, то работа может совершаться за счет убыли внутренней энергии. Если запас энергии исчерпан, двигатель перестал работать. Если система изолирована и не совершается работа, то внутренняя энергия остается неизменной.

Закон сохранения энергия утверждает, что внутренняя энергия при любых ее превращениях остается неизменной, но ничего не говорит о том, какие превращения возможны. Между тем многие процессы, вполне допустимые с точки зрения закона сохранения, в действительности не протекают.

Более нагретое тело само собой остывает, передавая свою энергию более холодным телам. Обратный процесс передачи от более холодного тела к горячему не противоречит закону сохранения, но не происходит. Таких примеров можно привести много. Это говорит о том, что процессы в природе имеют определенную направленность, не как не отраженную в первом законе термодинамики. Все процессы в природе необратимы (старение организмов).

Второй закон термодинамики указывает направление возможных энергетических превращений и тем самым выражает необратимость процессов в природе. Был установлен путем обобщения опыта.

Немецкий ученый Р. Клаузиус сформулировал его так:

Невозможно перевести тепло от более холодной системы к более горячей при отсутствии одновременных изменений в обеих системах или окружающих телах.

Английский ученый У. Кельвин сформулировал так:

Невозможно осуществлять периодически такой процесс, единственным результатом которого было бы получение работы за счет теплоты, взятой от одного источника.

Иначе говоря, ни один тепловой двигатель не может иметь коэффициент полезного действия, равный единице.

Формулировка второго закона, данная Кельвином, позволяет выразить этот закон в виде утверждения. Невозможно построить вечный двигатель второго рода, т. е. создать двигатель, совершающий работу за счет охлаждения какого-нибудь одного тела.

Вечный двигатель второго рода не нарушает закона сохранения энергии, но если бы он был возможен, мы получили бы практически неограниченный источник работы, черпая ее из океанов и охлаждая их. Однако охлаждение океана, как только его температура становится ниже температуры окружающей среды, означало бы переход теплоты от более холодного к телу более горячему, а такой процесс идти не может.

Второй закон термодинамики указывает направление процессов в природе.

III . Решение задач:

1 задача . Найти изменение внутренней энергии горячей воды емкостью 2 м3 при температуре 90 0 С при её охлаждении до комнатной температуры(24 0 С). С=4,19 кДж/кг*К, ρ=1000кг/м 3

∆U = Q , Q = c · m · ( t 2 - t 1 ), m = ρ· V

2 задача. Найти изменение внутренней энергии воды при её нагревании в электрическом чайнике до кипения.

∆U= А, А = Р·t Р=1,01*10 5 Па ·t=100 0 С

3 задача Газ находится в сосуде под давлением 2,5·10 4 Па. При сообщении ему количества теплоты 6·10 4 Дж он изобарно расширяется на 2м 3 . На сколько изменилась внутренняя энергия? Как изменилась его температура?

(Ответ: ∆U= ∆U– А = Q- р·∆V= 10 4 Дж; ∆T> 0, т.к. ∆U> 0)

IV .Закрепление (карточки с тестом на 2 варианта):

Тест

1 вариант

Какое соотношение справедливо для изобарного процесса в газе?

А) ∆U= А Б) ∆U= - А В) ∆U= р·А Г) А = р·∆V

2. Как изменяется внутренняя энергия газа при его изотермическом расширении?

А) Увеличивается. Б) Уменьшается. В) Изменение внутренней энергии равно нулю. Г) Изменение внутренней энергии может принимать любые значения.

3. В каком тепловом процессе изменение состояния системы происходит без теплообмена?

А) Изобарном. Б) Изохорном. В) Изотермическом. Г) Адиабатном.

4. В процессе адиабатного расширения газ совершает работу, равную 3·10 10 Дж. Чему равно изменение внутренней энергии газа?

А) ∆U= 3·10 10 Дж. Б) ∆U= - 3·10 10 Дж. В) ∆U= 0. Г) ∆U может принимать любое значение.

5. Если в некотором процессе подведённая к газу теплота равна работе, совершённой газом, то такой процесс является:

А) Изобарным. Б) Адиабатным. В) Изотермическим. Г) Изохорным.

6. При передаче газу количества теплоты 300 Дж его внутренняя энергия уменьшилась на 100 Дж. Какую работу совершил газ?

А) 100 Дж. Б) 400 Дж. В) 200 Дж. Г) - 100 Дж.

2 вариант

Какая из приведённых ниже формул является математическим выражением первогозакона термодинамики?

А) ∆U= А+Q Б) η = А/Q 1 В) U= (3/2)·(m/µ)·R·T Г) А = р·∆V

2. Внутренняя энергия газа при его изотермическом сжатии:

А) ∆U может принимать любое значение. Б) ∆U= 0 В) ∆U> 0 Г) ∆U< 0

3. В каком тепловом процессе внутренняя энергия системы не изменяется при переходе её из одного состояния в другое?

А) В изобарном. Б) В изохорном. В) В изотермическом. Г) В адиабатном

4. В процессе изохорного нагревания газ получил 15 МДж теплоты. Чему равно изменение внутренней энергии газа?

А) ∆U= 0 Б) ∆U= - 15 МДж В) ∆U= 15 МДж Г) ∆U= 1 Дж

5. Если в некотором процессе подведённая к газу теплота равна изменению его внутренней энергии, т.е. Q= ∆U, то такой процесс является:

А) Адиабатным. Б) Изотермическим. В) Изохорным. Г) Изобарным.

6. При передаче газу 20 кДж теплоты он совершил работу, равную 53 кДж. Как изменилась внутренняя энергия газа?

А) Увеличилась на 73 кДж. Б) Уменьшилась на 73 кДж. В) Увеличилась на 33 кДж. Г) Уменьшилась на 33 кДж.

Самопроверка теста

1 вариант

2 вариант

. V. Домашнее задание:

задача в тетради (Какое количество теплоты было подведено к гелию, если работа, совершаемая газом при изобарном расширении, составляет 2кДж?Чему равно изменение внутренней энергии гелия?),

Термодинамический подход не позволяет вскрыть внутреннюю природу необратимости реальных процессов в макроскопических системах. Опираясь на эксперимент, он только фиксирует факт необратимости (второй закон термодинамики). Молекулярно-кинетический подход позволяет проанализировать причины такой необратимости реальных процессов и определенной направленности энергетических превращений в природе.

Гипотетический вечный двигатель. Рассмотрим с точки зрения молекулярно-кинетической теории модель гипотетического «вечного» двигателя второго рода, изображенную на рис. 79. Предположим, что этот вечный двигатель работает следующим образом: газ самопроизвольно собирается в левой половине цилиндра, после чего поршень подвигают вплотную к газу. При таком перемещении внешние силы работы не совершают, так как собравшийся в левой половине газ не оказывает давления на поршень. Затем подводим к газу теплоту и заставляем его изотермически расширяться до

прежнего объема. При этом газ совершает работу за счет подводимой теплоты. После того как поршень перейдет в крайнее правое положение, будем ждать, пока газ снова не соберется самопроизвольно в левой половине сосуда, и затем повторяем все снова. В результате получилась периодически действующая машина, которая совершает работу только за счет получения теплоты от окружающей среды.

Рис. 79. Один из вариантов «вечного» двигателя второго рода

Молекулярно-кинетическая теория позволяет сразу объяснить, почему такое устройство не будет работать. Как мы видели, вероятность того, что газ, содержащий большое число молекул, хотя бы один раз самопроизвольно соберется в одной половине сосуда, ничтожно мала. И уж совершенно невозможно себе представить, чтобы это могло повторяться раз за разом по мере работы машины.

О необратимых процессах. Теперь можно указать, какой смысл вкладывается в понятие необратимого процесса: процесс является необратимым, если обратный процесс в действительности почти никогда не происходит. Строгого запрета для такого процесса нет - он просто слишком маловероятен, чтобы его можно было наблюдать на опыте. Так, рассмотренный пример вечного двигателя второго рода основывался на предположении о возможности самопроизвольного сосредоточения газа в одной половине сосуда. Такой процесс является обратным для процесса расширения газа в пустоту. Расширение газа в пустоту представляет собой один из наиболее ярких примеров необратимых процессов - обратный процесс в макроскопической системе никогда не наблюдался.

Таким образом, с точки зрения представлений статистической механики второй закон термодинамики утверждает, что в природе в макроскопических системах процессы развиваются в таком направлении, когда менее вероятные состояния системы заменяются на более вероятные. Такая интерпретация второго закона термодинамики была впервые предложена Больцманом.

При рассмотрении флуктуаций плотности идеального газа было выяснено, что состояния газа, при которых распределение молекул близко к равномерному, встречаются гораздо чаще, чем далекие от равновесия состояния с сильно неравномерным распределением молекул. Другими словами, состояния с неравномерным распределением молекул по объему, при которых число молекул в правой и левой половинах сосуда сильно различаются, имеют гораздо меньшую вероятность, чем состояния с почти равномерным распределением, близким к равновесному. Итак, необратимый процесс приближения

к равновесию - это переход к наиболее вероятному макроскопическому состоянию.

Необратимые процессы и разрушение порядка. Сказанное выше о природе необратимости реальных процессов можно сформулировать и несколько иначе. Можно сказать, что необратимый переход к равновесию - это переход от в сильной степени упорядоченных неравновесных состояний к менее упорядоченным, хаотическим состояниям.

При расширении газа в пустоту начальное состояние, когда газ занимает часть предоставленного ему объема, является в значительной мере упорядоченным, в то время как конечное состояние теплового равновесия, когда газ равномерно распределен по всему объему сосуда, является совершенно неупорядоченным.

Другой пример - направленный пучок молекул газа, входящий в откачанный сосуд. Установление равновесного максвелловского распределения молекул по скоростям представляет собой необратимый процесс перехода системы из упорядоченного состояния, когда все молекулы имеют почти одинаковые по модулю и направлению скорости, в конечное состояние, характеризующееся полной хаотичностью движения молекул.

С этой точки зрения легко понять устанавливаемую вторым законом термодинамики определенную направленность энергетических превращений в замкнутой системе. Когда тело получает некоторое количество теплоты за счет совершения механической работы, то это означает необратимое превращение кинетической энергии упорядоченного макроскопического движения в кинетическую энергию хаотического движения молекул. Превращение теплоты в работу, наоборот, означает превращение энергии беспорядочного движения молекул в энергию упорядоченного движения макроскопического тела - такой самопроизвольный переход, как мы видели, в принципе возможен, но исключительно маловероятен.

Флуктуации как отклонения от второго закона термодинамики. Необратимый характер процессов перехода в состояние теплового равновесия, устанавливаемый вторым законом термодинамики, справедлив только для больших макроскопических систем. С термодинамической точки зрения изолированная система, пришедшая в состояние теплового равновесия, не может самопроизвольно выйти из этого состояния. Однако статистическая механика допускает существование флуктуаций, которые фактически представляют собой самопроизвольные отклонения системы от равновесия.

Как уже отмечалось, чем больше частиц в системе, тем меньше относительная величина флуктуаций любого макроскопического параметра, и для достаточно большой системы флуктуациями вообще можно пренебречь. Именно поэтому для таких систем справедлив второй закон термодинамики, в котором утверждается возрастание

энтропии в замкнутых системах. При статистическом определении энтропии второй закон утрачивает абсолютный характер и превращается в статистический закон: за каким-либо заданным состоянием замкнутой системы будут следовать состояния, более вероятные если не с необходимостью, то в подавляющем большинстве случаев.

В системах с небольшим числом частиц относительная величина флуктуаций велика, т. е. самопроизвольные отклонения какой-либо величины от ее среднего значения могут быть сравнимы с самим средним значением. Такая система часто самопроизвольно выходит из состояния равновесия, и второй закон термодинамики здесь неприменим. Характерный пример нарушения второго закона термодинамики в достаточно малых системах - броуновское движение, при котором взвешенная в жидкости макроскопическая частица получает кинетическую энергию от молекул окружающей среды, хотя температура среды не выше, чем температура самой броуновской частицы.

Как статистическая механика объясняет необратимость реальных тепловых процессов?

Приведите примеры явлений, в которых наблюдается самопроизвольный выход системы из состояния термодинамического равновесия.

Почему упорядоченные состояния характеризуются меньшей вероятностью по сравнению с неупорядоченными?

Статистическая гипотеза. Неизбежность тепловых процессов в природе приводит к тому, что статистическая механика систем многих частиц не исчерпывается законами обычной механики (хотя и опирается на них), а требует обязательного введения дополнительной статистической гипотезы в той или иной форме, например в виде предположения о равной вероятности различных микросостояний замкнутой системы.

Но в тех случаях, когда тепловые процессы оказываются несущественными, определенную информацию о свойствах термодинамической системы можно получить, опираясь только на механические представления. Тепловые процессы практически отсутствуют в условиях тепловой изоляции при наличии механического равновесия. В этих случаях протекающие явления обратимы и можно использовать модель адиабатического процесса.

Покажем, например, как можно получить уравнение адиабаты для одноатомного идеального газа, основываясь на существовании адиабатических инвариантов в механических системах. Напомним (см. кн. 1), что адиабатическим инвариантом называется характеризующая механическую систему величина, сохраняющаяся при медленном изменении внешних параметров. В частности, для шарика, упруго отражающегося от двух параллельных стенок, которые медленно сближаются или раздвигаются, адиабатическим инвариантом является произведение расстояния между стенками на модуль скорости шарика.

В механической модели идеального газа как совокупности одноатомных молекул, упруго отражающихся от стенок сферического сосуда, адиабатическим инвариантом при медленном изменении объема V сосуда будет произведение характерного линейного размера (радиуса) сосуда на модуль скорости молекулы. В отсутствие теплообмена такая механическая модель адекватно описывает реальный адиабатический процесс сжатия или расширения. При этом сохраняет свой смысл и указанный адиабатический инвариант: Поскольку радиус пропорционален а модуль скорости пропорционален то

Легко видеть, что это совпадает с полученным выше уравнением адиабаты в переменных Т и V для одноатомного идеального газа, поскольку в этом случае

При каких условиях к системам из большого числа частиц применимы чисто механические представления, не опирающиеся на статистическую гипотезу?

Получите уравнение адиабаты идеального газа, рассматривая сосуд цилиндрической формы, объем которого изменяется при медленном перемещении поршня.