წარმოიდგინეთ, რომ გაქვთ პატარა ყუთი, რომელიც სავსეა თანაბარი რაოდენობით შავი და თეთრი მძივებით. როდესაც ყუთს პირველად მიიღებთ, ყველა თეთრი მძივი ფენაზეა განლაგებული ქვედა ნაწილში და ყველა შავი მძივი ზედა ნაწილშია.
როგორც კი მის შერყევას დაიწყებთ, ეს სისუფთავე, შეკვეთილი მდგომარეობა მთლიანად გატეხილია და ისინი სწრაფად ირევიან. იმის გამო, რომ არსებობს უამრავი კონკრეტული გზა, რომლითაც შესაძლებელია მძივების განლაგება, თითქმის შეუძლებელია შემთხვევითი შერყევის პროცესის გაგრძელებით, თქვენ დაუბრუნდეთ მძივებს თავდაპირველი თანმიმდევრობით.
ამის ფიზიკური ახსნა თერმოდინამიკის მეორე კანონით მოდის, რაც ერთ – ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი კანონია ფიზიკაში. ამ კანონის დეტალების გასაგებად, თქვენ უნდა გაეცნოთ მიკროსტატების და მაკროსტატების საფუძვლებს.
რა არის მიკროსტატი?
მიკროსტატუსი არის ყველა მოლეკულის ენერგიის განაწილების ერთ – ერთი შესაძლო მოწყობა დახურულ სისტემაში. ზემოთ მოცემული მძივის მაგალითში, მიკროსტაპი მოგახსენებთ ყველა ცალკეული შავი და თეთრი მძივების პოზიციებს, ასე რომ თქვენმთლიანადიცოდა მთელი სისტემის მდგომარეობის შესახებ, თითოეული მძივის იმპულსის ან კინეტიკური ენერგიის ჩათვლით (თუ მოძრაობა იყო).
თუნდაც მცირე სისტემებისთვის, გჭირდებათ საკმაოდ ბევრი კონკრეტული ინფორმაცია, რომ ნამდვილად დააკონკრეტოთ მიკროსტატაცია. მაგალითად, ექვსი იდენტური ნაწილაკისთვის, რომელთა ცხრა ერთეული ენერგია ნაწილდება მათ შორის, 26 მიკროსადგურია სისტემებისთვის იდენტური ნაწილაკები (მაგალითად, ერთი, სადაც ნაწილაკს აქვს 9 ენერგია, ერთი სადაც ნაწილაკს აქვს 8 და სხვას აქვს 1, ერთს, სადაც ერთს აქვს 7 და ორს აქვს 1 და ასე შემდეგ). განასხვავებელი ნაწილაკების მქონე სისტემებისთვის (ასე რომ მნიშვნელოვანია რომელი კონკრეტული ნაწილაკი რომელ კონკრეტულ ადგილზეა), ეს რიცხვი იზრდება 2002 წლამდე.
თუმცა ცხადია, რომ სისტემის შესახებ ინფორმაციის ამ დონის მიღება ძნელია და ამიტომ არიან ფიზიკოსებიც დამოკიდებულია მაკროსტატებზე ან გამოიყენეთ მიდგომები, როგორიცაა სტატისტიკური მექანიკა, სისტემის აღსაწერად უზარმაზარი ინფორმაციის გარეშე მოთხოვნა. ეს მიდგომები არსებითად "აწესრიგებს" დიდი რაოდენობით მოლეკულების ქცევას, რაც აღწერს სისტემას ნაკლებად ზუსტი ტერმინებით, მაგრამ ისეთივე სასარგებლო მეთოდით რეალური პრობლემების გადასაჭრელად.
გაზის მოლეკულების მოწყობა კონტეინერში
დავუშვათ, რომ გაქვთ გაზის კონტეინერი, რომელიც შეიცავსნმოლეკულები, სადნალბათ ძალიან დიდი რიცხვია. ისევე როგორც მძივებიდან შესავალ მაგალითში, მოლეკულის უამრავი ადგილია შეუძლია დაიკავოს კონტეინერის შიგნით და მოლეკულისთვის სხვადასხვა ენერგეტიკული მდგომარეობების რაოდენობა ძალიან დიდია ძალიან ზემოთ მოცემული მიკროსადგურის განმარტების საფუძველზე, გასაგები უნდა იყოს, რომ კონტეინერის შესაძლო მიკროსტატების რაოდენობაც ძალიან დიდია.
რამდენად დიდია ამ მცირე სახელმწიფოების ან მიკროსტატების რაოდენობა? გაზის ერთი მოლისთვის 1 – დან 4 კელვინის ტემპერატურაზე, მასიურია 1026,000,000,000,000,000,000 შესაძლო მიკროსტატები. ამ რიცხვის ზომა ნამდვილად ძნელია გადაჭარბებული: შედარებისთვის, ისინი დაახლოებით 10-ია80 ატომები მთელ სამყაროში. თხევადი წყლისთვის 273 K (ე.ი. 0 გრადუსი ცელსიუსით), არის 101,991,000,000,000,000,000,000,000 ხელმისაწვდომი მიკროსადგურები - ამგვარი ნომრის დასაწერად დაგჭირდებათ ქაღალდის გროვასინათლის წლებიმაღალი
მაგრამ ეს არ არის მთელი პრობლემა მდგომარეობის მიკროსეულის ან შესაძლო მიკროსტატების თვალსაზრისით. სისტემა სპონტანურად იცვლება ერთი მიკროსტატისტიდან მეორეში, შემთხვევითი და საკმაოდ განუწყვეტლივ, რაც ართულებს ამ თვალსაზრისით მნიშვნელოვანი აღწერილობის წარმოების გამოწვევებს.
რა არის მაკროსტატი?
მაკროსტატი არის სისტემის ყველა შესაძლო მიკროსტატის სიმრავლე. მათთან გამკლავება ბევრად უფრო ადვილია, ვიდრე სხვადასხვა მიკროსტატების, რადგან შეგიძლიათ აღწეროთ მთელი სისტემა მხოლოდ რამდენიმეთ მაკროსკოპული სიდიდეები, ვიდრე მთლიანი ენერგიის და ყველა შემადგენელი ნაწილის ზუსტი პოზიციის განსაზღვრა მოლეკულები.
იგივე სიტუაციისთვის, სადაც დიდი რიცხვი გაქვთნმოლეკულების ყუთში, მაკროსტატი შეიძლება განისაზღვროს შედარებით მარტივი და ადვილად გაზომვადი რაოდენობით, როგორიცაა წნევა, ტემპერატურა და მოცულობა, ისევე როგორც სისტემის მთლიანი ენერგია. ეს აშკარად ბევრად უფრო მარტივი გზაა სისტემის დასახასიათებლად, ვიდრე ცალკეული მოლეკულების დათვალიერება და თქვენ კვლავ შეგიძლიათ გამოიყენოთ ეს ინფორმაცია სისტემის ქცევის პროგნოზირებისთვის.
ასევე არსებობს ცნობილი პოსტულატი - ტოლობის ტოლფასიაპრიორიალბათობა - ეს აცხადებს, რომ სისტემას აქვს თანაბარი ალბათობა ნებისმიერ მიკროსტატში, რომელიც შეესაბამება ამჟამინდელ მაკროსტატას. ეს არ არისმკაცრადმართალია, მაგრამ ის საკმარისად ზუსტია, რომ ის კარგად მუშაობს ბევრ სიტუაციაში და ის შეიძლება იყოს სასარგებლო ინსტრუმენტი კონკრეტული მაკროსტატისთვის გათვალისწინებული სისტემის მიკროსტატების ალბათობის განხილვისას.
რა მნიშვნელობა აქვს მიკროსტატებს?
იმის გათვალისწინებით, თუ რამდენად რთულია მოცემული სისტემისთვის მიკროშტატის გაზომვა ან სხვაგვარად განსაზღვრა, შეიძლება გაგიკვირდეთ, რატომ არის მიკროსტაზები სასარგებლო ცნებაც კი ფიზიკოსებისთვის. მიკროსტატებს, როგორც კონცეფციას, აქვს რამდენიმე მნიშვნელოვანი გამოყენება, თუმცა, კერძოდ, ისინი წარმოადგენსენტროპიასისტემის.
მოდით დავარქვათ მიკროსტატების საერთო რაოდენობას მოცემული მაკროსტატისთვისი. როდესაც სისტემა განიცდის ცვლილებას თერმოდინამიკური პროცესის გამო - მაგალითად იზოტერმული გაფართოება, მაგალითად -იიცვლება მის გვერდით. ეს ცვლილება შეიძლება გამოყენებულ იქნას სისტემის შესახებ ინფორმაციის მოსაპოვებლად და რამდენად იმოქმედა მასზე მდგომარეობის ცვლილებამ. თერმოდინამიკის მეორე კანონი ზღუდავს როგორიშეიძლება შეიცვალოს, თუ სისტემის გარეთ რაიმე არ არის ურთიერთქმედება მასთან.
ენტროპია და თერმოდინამიკის მეორე კანონი
თერმოდინამიკის მეორე კანონი აცხადებს, რომ იზოლირებული სისტემის (ასევე მოუწოდა დახურულ სისტემას) ტოტალური ენტროპია არასდროს იკლებს და, ფაქტობრივად, დროთა განმავლობაში იზრდება. ეს ფიზიკის ძალიან გაუგებარი კანონია, თუმცა განსაკუთრებით ენტროპიის განსაზღვრისა და ”დახურული” ან იზოლირებული სისტემის ბუნების გამო.
ამის უმარტივესი ნაწილია, თუ რას ნიშნავს რაღაცის დახურვა. ეს უბრალოდ ნიშნავს, რომ სისტემა არ ცვლის რაიმე ენერგიას მიმდებარე გარემოსთან და ამიტომ იგი არსებითად "იზოლირებულია" მიმდებარე სამყაროსგან.
ენტროპიის განმარტება საუკეთესოდ არის მოცემული მათემატიკურად, სადაც ენტროპიას ენიჭება სიმბოლოს, იგამოიყენება მიკროსტატების რაოდენობისთვის დაკბოლცმანის მუდმივია (კ = 1.38 × 10−23 ჯ კ−1). ენტროპიას შემდეგ განსაზღვრავს:
S = k \ ln (Y)
ეს გეუბნებათ, რომ ენტროპია დამოკიდებულია სისტემაში მიკროსტატების რაოდენობის ბუნებრივ ლოგარითმზე და ისე, რომ სისტემებს, რომლებიც უფრო მეტად შესაძლებელია მიკროსტატების მქონე, აქვთ უფრო მაღალი ენტროპია. თუ რას ფიქრობთ ამ კანონში, შეგიძლიათ გაიგოთ, რას ნიშნავს ეს კანონი.
შესავალიდან მძივის მაგალითში, სისტემის საწყისი მდგომარეობა (ქვედა ნაწილში თეთრი მძივების ფენა შავი ფერის ფენით ზემოდან) არის ძალიან დაბალი ენტროპია, რადგან ამ მაკროსტატისთვის ძალიან ცოტა მიკროშტატი იარსებებს (მაგ., სადაც მძივები შეკვეთილია ფერი).
ამის საპირისპიროდ, მდგომარეობა მოგვიანებით, როდესაც მძივები შეერია, უფრო მაღალ ენტროპიას შეესაბამება, რადგან იქიტვირთებამიკროსტატების, რომლებიც გამრავლებენ მაკროსტატს (ანუ "შერეული" მძივები). სწორედ ამიტომ, ენტროპიის კონცეფციას ხშირად უწოდებენ "არეულობის" საზომს, მაგრამ ნებისმიერ შემთხვევაში, მას უნდა ჰქონდეს ინტუიციური აზრი, რომ დახურულ სისტემაში მძივები მხოლოდმომატებაენტროპიაში, მაგრამ არასდროს იკლებს.