В этом разделе мы рассмотрим законы, определяющие направленность процессов в природе. В рамках этих законов Вселенная рассматривается как совокупность систем взаимодействующих между собой частиц. Системы бывают замкнутые и открытые Замкнутая система – это система, которая не обменивается с окружающей средой ни энергией, ни веществом. Все остальные системы – открытые. Все процессы, происходящие в этих системах, по своему характеру делятся на обратимые и необратимые. Обратимым называется процесс, который отвечает следующим условиям: его одинаково легко можно провести в двух противоположных направлениях; в каждом из этих направлений система проходит через одни и те же промежуточные состояния; после проведения прямого и обратного процесса система и окружающие ее тела возвращаются к исходному состоянию. Примером обратимого процесса могут служить гармонические колебания маятника в вакууме при отсутствии трения. Но в реальных условиях невозможно избежать трения, как и достичь абсолютного вакуума, то есть исключить сопротивление среды. Не бывает и абсолютно упругих столкновений. Таким образом, все реальные процессы необратимы.
Для объяснения направленности процессов в природе вводят понятие термодинамической вероятности данного состояния некоторой системы (W), которая характеризуется числом комбинаций отдельных элементов системы, или числом микросостояний, с помощью которых реализуется это состояние. Предполагается что частицы неотличимы и все микросостояния, соответствующие данному макросостоянию, равновероятны.
Время пребывания системы в том или ином состоянии пропорционально термоденомической вероятности состояния. Вероятность состояния (р) – это доля времени, в течение которого система находится в данном состоянии пропорциональна термодинамической вероятности состояния. Поэтому для практического анализа термодинамических систем используют не термодинамическую вероятность, а энтропию, определяемую по формуле Планка: S = klnW, где k=l,38·10-23 Дж/К – постоянная Больцмана.
Исторически понятие энтропии возникло из анализа работы тепловых двигателей (феноменологическая термодинамика). Коэффициент полезного действия (КПД) тепловых двигателей тем больше, чем меньше возрастание энтропии окружающей среды за цикл, рассчитываемое как сумма приведенных теплот (Q/T). Максимум КПД и минимум изменения энтропии окружающей среды лишь в идеальной тепловой машине Карно.
В замкнутых системах (то есть в системах не обменивающихся с окружающей средой ни энергией ни веществом) энтропия не убывает, то есть ∆S ≥0 при всех процессах. Причем если ∆S = 0, то процесс обратимый, а если ∆S > 0, то процесс необратимый.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему