Представете си, че имате малка кутия, пълна с равен брой черно-бели мъниста. Когато за първи път вземете кутията, всички бели мъниста са подредени в слой отдолу, а всички черни мъниста са отгоре.
Веднага щом започнете да го разклащате, това чисто, подредено състояние е напълно нарушено и те бързо се смесват. Тъй като има толкова много специфични начини, по които мънистата могат да бъдат подредени, е почти невъзможно, продължавайки процеса на произволно разклащане, да завършите с мънистата обратно в първоначалния им ред.
Физическото обяснение за това се свежда до втория закон на термодинамиката, един от най-важните закони във цялата физика. За да разберете подробностите на този закон, ще трябва да научите основите на микродържавите и макродържавите.
Какво е микродържава?
Микродържавата е едно от възможните механизми за разпределение на енергията на всички молекули в затворена система. В горния пример за мъниста микродържав ще ви каже точните позиции на всички отделни черно-бели мъниста, така че
напълнознаеше за състоянието на цялата система, включително инерцията или кинетичната енергия на всяка от перлите (ако имаше движение).Дори за малките системи се нуждаете от доста специфична информация, за да определите наистина микросъстоянието. Например, за шест еднакви частици с девет единици енергия, разпределени между тях, има 26 микро състояния за системи с идентични частици (напр. една, в която частицата има 9 енергия, една, в която частицата има 8, а друга има 1, една, в която една има 7, а две имат 1 и така нататък). За системи с различими частици (така че има значение коя конкретна частица е в кое конкретно местоположение), този брой се увеличава до 2002 г.
Ясно е обаче, че това ниво на информация за дадена система е трудно да се получи и ето защо и физиците зависят от макродържави или използват подходи като статистическа механика, за да опишат системата без огромната информация изискване. Тези подходи по същество „усредняват“ поведението на голям брой молекули, описвайки системата с по-малко точни термини, но също толкова полезен начин за реални проблеми.
Подреждане на газови молекули в контейнер
Да предположим, че имате контейнер с газ, който съдържанмолекули, къдетонвероятно е много голям брой. Подобно на мънистата в примера от увода, има огромен брой места, където има молекула могат да заемат вътре в контейнера и броят на различните енергийни състояния на молекулата е много голям също. Въз основа на даденото по-горе определение за микродържава трябва да стане ясно, че броят на възможните микросъстояния вътре в контейнера също е много голям.
Но колко голям е броят на тези малки състояния или микродържави? За един мол газ при температура от 1 до 4 Келвина има огромни 1026,000,000,000,000,000,000 възможни микродържави. Размерът на това число наистина е трудно да се надцени: За сравнение има около 1080 атоми в цялата Вселена. За течна вода при 273 К (т.е. 0 градуса по Целзий) има 101,991,000,000,000,000,000,000,000 достъпни микродържави - за да напишете номер като този, ще ви трябва куп хартиясветлинни годиниВисоко.
Но това не е целият проблем в разглеждането на дадена ситуация от гледна точка на микросъстоянието или възможните микросъстояния. Системата спонтанно се променя от едно микро състояние в произволно и почти непрекъснато, усложнявайки предизвикателствата при създаването на смислено описание в тези термини.
Какво е Macrostate?
Макросъстоянието е съвкупността от всички възможни микросъстояния на системата. С тях е много по-лесно да се справите, отколкото с различни микросъстояния, защото можете да опишете цялата система само с няколко макроскопични количества, вместо да се налага да се определя общата енергия и точното положение на всички компоненти молекули.
За същата ситуация, когато имате голям бройнна молекули в кутия, макросъстоянието може да бъде определено със сравнително прости и лесни за измерване величини като налягане, температура и обем, както и общата енергия на системата. Това очевидно е много по-прост начин за характеризиране на системата, отколкото разглеждането на отделните молекули и все още можете да използвате тази информация, за да предскажете поведението на системата.
Съществува и известен постулат - постулатът за равенаприоривероятности - това гласи, че една система има еднаква вероятност да бъде във всяко микросъстояние, което е в съответствие с текущото макросъстояние. Това не естроговярно, но е достатъчно точно, че работи добре в много ситуации и може да бъде полезен инструмент, когато се разглежда вероятността от микросъстояния за система, дадена на конкретна макросъстояние.
Тогава какво е значението на микродържавите?
Като се има предвид колко сложно е да се измери или определи по друг начин микросъстояние за дадена система, може да се чудите защо микросъстоянията са дори полезна концепция за физиците. Микродържавите имат някои важни приложения като концепция, и по-специално те са ключова част от дефиницията наентропияна система.
Нека извикаме общия брой микросъстояния за дадена макросъстояниеY.. Когато системата претърпи промяна поради термодинамичен процес - например изотермично разширение - стойността наY.промени заедно с него. Тази промяна може да се използва за получаване на информация за системата и доколко промяната в състоянието я е засегнала. Вторият закон на термодинамиката ограничава какY.може да се промени, освен ако нещо извън системата не взаимодейства с него.
Ентропия и втори закон на термодинамиката
Вторият закон на термодинамиката гласи, че общата ентропия на изолирана система (наричана още затворена система) никога не намалява и всъщност има тенденция да се увеличава с времето. Това обаче е много погрешно разбран закон на физиката, особено поради определението за ентропия и естеството на нещо като „затворена“ или изолирана система.
Най-простата част от това е какво означава да се каже, че нещо е затворена система. Това просто означава, че системата не обменя никаква енергия със заобикалящата среда и така тя по същество е „изолирана“ от заобикалящата ни Вселена.
Определението за ентропия е най-добре да се даде математически, където на ентропията се дава символътС, Y.се използва за броя на микросъстоянията ике константата на Болцман (к = 1.38 × 10−23 J K−1). Тогава ентропията се дефинира от:
S = k \ ln (Y)
Това ви казва, че ентропията зависи от естествения логаритъм на броя на микросъстоянията в системата и така системите с повече възможни микросъстояния имат по-висока ентропия. Можете да разберете какво означава законът, ако се замислите по този начин.
В примера на топчета от въведението, първоначалното състояние на системата (слой от бели мъниста в долната част със слой от черен цвят тези отгоре) е много ниска ентропия, тъй като за тази макросъстояние би съществувало много малко микросъстояния (напр. когато топчетата са подредени от цвят).
За разлика от това, състоянието по-късно, когато мънистата са смесени, съответства на по-висока ентропия, защото тамтоварина микродържави, които биха възпроизвели макросъстоянието (т.е. „смесени“ мъниста). Ето защо понятието ентропия често се нарича мярка за „разстройство“, но във всеки случай трябва да има интуитивен смисъл, че в затворена система мънистата щенараствав ентропия, но никога не намалява.