Įsivaizduokite, kad turite mažą dėžutę, užpildytą vienodu juodų ir baltų karoliukų skaičiumi. Kai pirmą kartą gausite dėžutę, visi balti karoliukai yra išdėstyti sluoksniu apačioje, o visi juodi karoliukai yra viršuje.
Vis dėlto vos pradėjus purtyti, ši tvarkinga, tvarkinga būsena visiškai sugenda ir jos greitai susimaišo. Kadangi yra tiek daug specifinių būdų, kaip karoliukus galima išdėstyti, beveik neįmanoma, kad tęsdami atsitiktinį purtymo procesą, karoliukai grįžtų jų pradine tvarka.
Fizinis to paaiškinimas priklauso nuo antrojo termodinamikos dėsnio, vieno iš svarbiausių dėsnių visoje fizikoje. Norėdami suprasti šio įstatymo detales, turėsite išmokti mikrovalstybių ir makrolygių pagrindų.
Kas yra mikrovalstybė?
Mikrostatas yra vienas iš galimų visų molekulių energijos pasiskirstymo uždaroje sistemoje susitarimų. Aukščiau pateiktame karoliukų pavyzdyje mikrokontaktas tiksliai nurodys visų atskirų juodų ir baltų karoliukų padėtį, taigi jūsvisiškaižinojo ir apie visos sistemos būseną, įskaitant kiekvieno karoliuko impulsą ar kinetinę energiją (jei buvo judėjimas).
Net ir mažoms sistemoms jums reikia gana daug specifinės informacijos, kad iš tikrųjų nurodytumėte mikroliktuką. Pavyzdžiui, šešioms vienodoms dalelėms, tarp kurių paskirstyti devyni energijos vienetai, sistemoms su yra 26 mikrogalios identiškos dalelės (pvz., viena, kurioje dalelė turi 9 energiją, viena, kurioje dalelė turi 8, o kita - 1, viena, kur viena turi 7, o dvi - po 1 ir taip toliau). Sistemoms su atskiriamomis dalelėmis (taigi svarbu, kuri konkreti dalelė yra kurioje konkrečioje vietoje), šis skaičius padidėja iki 2002 m.
Vis dėlto akivaizdu, kad tokio lygio informaciją apie sistemą gauti sunku, ir todėl fizikai taip pat arba priklauso nuo metodų, pavyzdžiui, statistikos mechanikos, norint apibūdinti sistemą be didžiulės informacijos reikalavimas. Šie požiūriai iš esmės „vidutiniškai sumažina“ daugybės molekulių elgesį, apibūdinantys sistemą ne taip tiksliai, bet taip pat naudingai ir realaus pasaulio problemoms spręsti.
Dujų molekulių išdėstymas konteineryje
Tarkime, kad turite dujų indą, kuriame yraNmolekulės, kurNyra tikriausiai labai didelis skaičius. Kaip ir granulės pavyzdyje iš įžangos, molekulėje yra daug vietų gali užimti konteinerio viduje, o molekulių energijos būsenų skaičius yra labai didelis taip pat. Remiantis aukščiau pateiktu mikrostatos apibrėžimu, turėtų būti aišku, kad konteinerio viduje taip pat yra labai daug galimų mikrovalstybių.
Bet kiek yra šių mažų valstybių ar mikrovalstybių skaičius? Vienam moliui dujų, esant 1–4 Kelvino temperatūrai, yra masinis 1026,000,000,000,000,000,000 galimos mikrovalstybės. Šio skaičiaus dydį tikrai sunku pervertinti: palyginimui, jų yra apie 1080 atomų visatoje. Skystam vandeniui, kurio temperatūra 273 K (t. Y. 0 laipsnių Celsijaus), yra 101,991,000,000,000,000,000,000,000 prieinamos mikrovalstybės - norint išrašyti tokį numerį, jums reikės krūvos popieriausšviesmečiųaukštas.
Bet tai nėra visa problema, kai reikia pažvelgti į situaciją atsižvelgiant į mikrovalstybę ar galimas mikrogalines. Sistema spontaniškai keičiasi iš vienos mikrovalstybės į kitą, atsitiktinai ir beveik nuolat, dar labiau padidindama iššūkius, susijusius su prasmingu aprašymu šiais terminais.
Kas yra makrostatas?
Makrostatas yra visų galimų sistemos mikrovalstybių rinkinys. Su jais susidoroti yra daug lengviau nei su skirtingomis mikrovalstybėmis, nes galite apibūdinti visą sistemą tik keletu makroskopiniai dydžiai, o ne nustatyti visos sudedamosios dalies bendrą energiją ir tikslią padėtį molekulės.
Ta pačia situacija, kai turite daugNmolekulių dėžėje, makrostatas gali būti apibrėžtas palyginti paprastais ir lengvai išmatuojamais dydžiais, tokiais kaip slėgis, temperatūra ir tūris, taip pat bendra sistemos energija. Tai akivaizdžiai yra daug paprastesnis būdas apibūdinti sistemą, nei žvelgiant į atskiras molekules, ir jūs vis tiek galite naudoti šią informaciją numatydami sistemos elgseną.
Taip pat yra garsus postulatas - lygių postulatasa prioritikimybės - teigiančios, kad sistema turi vienodą tikimybę būti bet kurioje mikrovalstybėje, kuri atitinka dabartinę makrolygio būklę. Tai nėragriežtaitiesa, bet jis yra pakankamai tikslus, kad gerai veiktų daugelyje situacijų, ir tai gali būti naudinga priemonė svarstant apie mikrovalstybių tikimybę sistemai, kuriai būdingas konkretus makrolygis.
Kuo tada svarbi mikrovaldžių sistema?
Atsižvelgiant į tai, kaip sudėtinga išmatuoti ar kitaip nustatyti tam tikros sistemos mikrokartelę, galite susimąstyti, kodėl mikropadės yra netgi naudinga fizikų samprata. Mikrovalstybės turi keletą svarbių sąvokų naudojimo būdų, visų pirma, tai yra pagrindinė apibrėžimo dalisentropijasistemos.
Paskambinkime į bendrą tam tikros makrolygio mikrovalstybių skaičiųY. Kai sistemoje vyksta termodinaminio proceso pokyčiai, pvz., Izoterminis išsiplėtimas,Ykeičiasi greta jo. Šis pokytis gali būti naudojamas norint gauti informacijos apie sistemą ir tai, kiek būsenos pasikeitimas ją paveikė. Antrasis termodinamikos dėsnis riboja, kaipYgali keistis, nebent kažkas už sistemos ribų sąveikauja su tuo.
Entropija ir antrasis termodinamikos dėsnis
Antrasis termodinamikos dėsnis teigia, kad visa izoliuotos sistemos (dar vadinamos uždara sistema) entropija niekada nesumažėja, o iš tikrųjų laikui bėgant ji linkusi didėti. Tai yra daug nesuprastas fizikos dėsnis, ypač dėl entropijos apibrėžimo ir kažkokio „uždaros“ ar izoliuotos sistemos pobūdžio.
Paprasčiausia to dalis yra tai, ką reiškia sakyti, yra uždara sistema. Tai paprasčiausiai reiškia, kad sistema nekeičia jokios energijos su supančia aplinka, todėl ji iš esmės yra „izoliuota“ nuo supančios visatos.
Entropijos apibrėžimą geriausiai pateikti matematiškai, kur entropijai suteikiamas simbolisS, Yyra naudojamas mikrostatų skaičiui irkyra Boltzmanno konstanta (k = 1.38 × 10−23 J K−1). Tada entropiją apibrėžia:
S = k \ ln (Y)
Tai jums pasakys, kad entropija priklauso nuo natūralaus sistemos mikrovalstybių skaičiaus logaritmo ir kad sistemose, kuriose yra daugiau galimų mikrovalstybių, būtų didesnė entropija. Galite suprasti, ką reiškia įstatymas, jei pagalvotumėte apie tai šiomis sąlygomis.
Įžanginiame granulių pavyzdyje pradinė sistemos būsena (baltų karoliukų sluoksnis apačioje su juodos spalvos sluoksniu) yra viršuje) yra labai maža entropija, nes šiai makrostatei būtų labai nedaug mikrovalstybių (pvz., kai karoliukus spalva).
Priešingai, būsena vėliau, kai karoliukai buvo sumaišyti, atitinka aukštesnę entropiją, nes tenapkrovosmikrovalstybių, kurios atkartotų makrostatą (t. y. „sumaišytus“ karoliukus). Štai kodėl entropijos sąvoka dažnai vadinama „sutrikimo“ matu, tačiau bet kokiu atveju tai turėtų būti suprantama, kad uždaroje sistemoje karoliukai bus tikpadidintientropijoje, bet niekada nesumažėja.