КОНЦЕПЦІЇ ЕНТРОПІЇ В ПРИРОДОЗНАВСТВІ

Саме велике досягнення людського генія полягає в тому, що людина може зрозуміти те, що він вже не в состояни собі уявити.

Л. Ландау

У 1865 р німецький фізик Рудольф Клаузіус для формулювання другого закону термодинаміки ввів нове поняття - «ентропія» (грец . Поворот, перетворення). Клаузіус вважав, що існує якась величин 5, яка, подібно до енергії, тиску, температури, характеризує стан газу. Коли до газу підводиться деяку кількість теплоти - Д (2 то ентропія 5 зростає на величину, рівну

Протягом тривалого часу вчені не робили відмінностей між теплотою і температурою. Однак ряд явищ вказували на те, що ці поняття слід розрізняти. Наприклад, при плавленні кристалічного тіла теплот витрачається, а температура тіла не змінюється в процесі плавлення. Останні введення Клаузиусом поняття ентропії стало зрозуміло, де пролягає межа чіткого відмінності таких понять, як теплота і температура. Справа в тому що не можна говорити про якусь кількість теплоти, укладеному в тілі. Ет поняття не має сенсу. Теплота може передаватися від тіла до тіла, переходити в роботу, виникати при терті, але при цьому вона не є збереження величиною. Тому теплота визначається у фізиці не як ви енергії, а як міра зміни енергії. У той же час введена Клаузіусом ентропія, як і температура, виявилася величиною, що зберігається в оборотних процесах; це означає, що ентропія системи може рассматріватьс як функція стану системи, бо зміна її не залежить від виду процесу, а визначається тільки початковим і кінцевим станом системи.

Було також показано, що зміни ентропії в разі оборотних процесів не відбувається, тобто Д5 * = 0. Отже, ентропія ізольованої системи в разі оборотних процесів постійна. При необоротних процесах отримуємо закон зростання ентропії:

Для опису термодинамічних процесів першого закону термодинаміки виявляється недостатньо, тому що перше початок термодинаміки не дозволяє визначити напрямок протікання процесів в природі. Той факт, що ентропія ізольованої системи не може зменшуватися, а тольк зростає і досягає максимального значення в стані рівноваги є відображенням того, що в природі можливі процеси, що протікають тільки в одному напрямку - в напрямку передачі тепла від більш гарячих тіл менш гарячим.

Фізичний сенс ентропії і саме поняття ентропії введено в фізичну теорію, щоб відрізняти в разі ізольованих систем оборотні процеси, при яких ентропія максимальна і постійна, від незворотних процесів, коли ентропія зростає.

Ідея Больцмана про імовірнісний поведінці окремих молекул з'явилася розвитком нового підходу при описі систем, що складаються з величезного числа частинок, вперше висловленого Д. Максвеллом. Він ввів для опису випадкового характеру поведінки молекул поняття ймовірності імовірнісний (статистичний) закон. Надалі Больцман показав що другий закон термодинаміки також є наслідком більш глибоких статистичних законів поведінки великої сукупності частинок Він же інтерпретував поняття ентропії в термінах зміни порядку застосування ПСП в системі. Коли ентропія системи зростає, то відповідно посилюється безлад в системі, тобто ентропія виражає міру безладу системи. У гаком випадку другий закон термодинаміки постулює: ентропія замкнутої системи, тобто системи, яка не обмінюється з оточенням ні енергією, ні речовиною, постійно зростає, а це означає, чт такі системи еволюціонують у бік збільшення в них безладу хаосу і дезорганізації, поки не досягнуть точки термодинамічної рівноваги, в якій будь-яке виробництво роботи стає неможливим.

Больцман першим побачив зв'язок між ентропією і ймовірністю. У 1906 р Макс Планк вивів формулу, яка має основну роздуми про Больцмана про інтерпретацію ентропії як логарифма ймовірності стану системи: 5 = кп IV. Коефіцієнт пропорційності до розрахована Планком і названий ним постійної Больцмана. Формула 5 = & 1п XV викарбувано на пам'ятнику Больцману на кладовищі у Відні.

Грунтуючись на зв'язку ентропії з ймовірністю, Больцман сформулював другий початок термодинаміки - природа прагне перейти з станів менш ймовірних в більш ймовірні. Хаотичний рух молекул найбільш ймовірно, воно здійснюється найбільшим число способів. Тому будь-який впорядкований рух прагне мимовільно перейти в неврегульоване. Перехід механічного движени в теплоту за рахунок тертя означає втрату впорядкованості, перехід до більш ймовірного хаотичного руху, і цей процес незворотній. При тако статистичної формулюванні другий початок втрачає категоричність, перехід в стан з більшою ентропією більш імовірний.

Таким чином, ентропія ізольованої системи при протіканні необоротних процесів зростає, бо система, надана сама собі, переходить з менш ймовірного стану в більш ймовірне. Ентропія системи, що знаходиться в стані рівноваги, максимальна і постійного (М = 0).

З залежності ентропії від ймовірності можна дати статистичне визначення ентропії: ентропія є міра невпорядкованості системи Чим більше невпорядкованість системи, тим більшим числом можливі микросостояний вона характеризується і тим більше її ентропія. Наприклад, при конденсації газу ентропія системи зменшується, так як молекул розміщуються більш впорядковано. При кристалізації рідини расті ступінь впорядкованості молекул і відбувається ще більше уменьшени ентропії. При абсолютному нулі температури всяке теплове движени припиняється, невпорядкованість зникає, число можливих микросостояний зменшується до одного і ентропія наближається до нуля.

Зміна ентропії відбувається при протіканні хімічних реакцій. Для прикладу розглянемо одну з найпоширеніших реакцій взаємодії елементів з киснем - реакцію окислення. Реакци взаємодії кисню з залізом відбувається в організмі, коли кисень з'єднується з атомами заліза, що міститься в червоних кров'яні тільцях - еритроцитах. Тому наша кров має колір іржі з-з реакції

В результаті цієї реакції ентропія речовин знизилася, так як продукти реакції більш впорядковані і тому володіють меншою ентропією.

При розпаді чистого речовини на складові частини хаос зростає і виникла невпорядкованість підвищує ентропію. Оскільки про зміну системи в класичній термодинаміці ми можемо судити по увеличени ентропії, то остання і виступає в якості своєрідної стріли часу. Термодинаміка вперше ввела в фізику поняття часу в досить своєрідній формі, а саме незворотного процесу зростання ентропії в системі. Чим вище ентропія системи, тим більший часовий проміжок пройшла система у своїй еволюції. Таке поняття про час і особливо про еволюцію системи, в термодинаміці корінним образо відрізняється від поняття часу і еволюції, яке лежало в основі еволюційної теорії Дарвіна. У той час як в дарвінівської теорії походження нових видів рослин і тварин шляхом природного відбір еволюція спрямована на виживання досконаліших організмів і ускладнення їх організації, в термодинаміці еволюція связивалас з дезорганізацією систем. В такому випадку ставало незрозумілим, каки чином з неживої природи, системи якої мають тенденцію до дезорганізації, могла з'явитися коли-небудь жива природа, де системи, навпаки, прагнуть до вдосконалення і ускладнення своєї організації Все це показало, що результати дослідження класичної термодинаміки перебували в явному протиріччі з тим, що було добре відома, з інших напрямків науки. Це протиріччя залишалося невирішеним аж до 60-х рр. XX ст., Поки не з'явилася нова, нерівновага термодинаміка, яка спирається на концепцію необоротних процесів розглядаються в гл. 20.

 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >