Predstavljajte si, da imate majhno škatlo, napolnjeno z enakim številom črno-belih kroglic. Ko prvič dobite škatlo, so vse bele kroglice na dnu razporejene v plast, na vrhu pa vse črne kroglice.
Takoj, ko ga začnete tresti, je to urejeno, urejeno stanje popolnoma pokvarjeno in hitro se pomešajo. Ker obstaja toliko posebnih načinov, kako je mogoče kroglice urediti, je skoraj nemogoče, da bi z nadaljevanjem postopka naključnega tresenja kroglice končale v prvotnem vrstnem redu.
Fizična razlaga za to se nanaša na drugi zakon termodinamike, enega najpomembnejših zakonov v celotni fiziki. Če želite razumeti podrobnosti tega zakona, se boste morali naučiti osnov mikro držav in makro držav.
Kaj je mikrodržava?
Mikrostanje je ena od možnih ureditev porazdelitve energije vseh molekul v zaprtem sistemu. V zgornjem primeru kroglic vam mikrodržava pove natančne položaje vseh posameznih črno-belih kroglic, zatopopolnomavedel o stanju celotnega sistema, vključno z zagonom ali kinetično energijo vsake kroglice (če je bilo gibanje).
Tudi za majhne sisteme potrebujete precej specifičnih informacij, da zares določite mikrodržavo. Na primer, za šest enakih delcev z devetimi enotami energije, razporejenimi med njimi, obstaja 26 mikrostanov za sisteme z enakih delcev (npr. tisti, kjer ima delec 9 energije, eden, kjer ima delec 8 in drugi 1, eden, kjer ima en 7 in dva 1 in tako naprej). Za sisteme z razločljivimi delci (zato je pomembno, kateri določeni delci je na kateri lokaciji) se to število poveča do leta 2002.
Jasno pa je, da je to raven informacij o sistemu težko dobiti, zato pa tudi fiziki odvisni od makrostanj ali pa za opis sistema brez ogromnih informacij uporabite pristope, kot je statistična mehanika zahteva. Ti pristopi v bistvu "povprečijo" vedenje velikega števila molekul in sistem opišejo z manj natančnimi izrazi, a na enako koristen način za resnične probleme.
Urejanje molekul plina v posodi
Recimo, da imate posodo s plinom, ki jo vsebujeNmolekule, kjerNje verjetno zelo veliko število. Tako kot kroglice v primeru iz uvoda je tudi molekula ogromno krajev lahko zasedejo znotraj posode, število različnih energijskih stanj molekule pa je zelo veliko preveč. Na podlagi zgoraj dane definicije mikrostana bi moralo biti jasno, da je tudi število možnih mikrostanov v posodi zelo veliko.
Kako veliko pa je število teh majhnih držav ali mikrodržav? Za en mol plina pri temperaturi od 1 do 4 Kelvina je ogromnih 1026,000,000,000,000,000,000 možne mikrodržave. Velikost te številke je res težko preceniti: za primerjavo, obstaja približno 1080 atomi v celotnem vesolju. Za tekočo vodo pri 273 K (tj. 0 stopinj Celzija) je 101,991,000,000,000,000,000,000,000 dostopne mikrostanice - če želite napisati takšno številko, bi potrebovali kup papirjasvetlobna letavisoko.
Ampak to ni celotna težava gledanja na situacijo z vidika mikrodržave ali možnih mikrodržav. Sistem se spontano spreminja iz ene mikro države v drugo, naključno in precej neprekinjeno, kar sestavlja izzive, kako s temi pogoji izdelati smiseln opis.
Kaj je makrostanje?
Makrodržava je skupek vseh možnih mikrodržav sistema. Z njimi je veliko lažje ravnati kot z različnimi mikrodržavami, saj lahko celoten sistem opišete le z nekaj makroskopskih količin, namesto da bi morali določiti skupno energijo in natančen položaj celotne komponente molekul.
V istem primeru, ko jih imate velikoNmolekul v škatli lahko makrostanje določimo s sorazmerno preprostimi in enostavnimi količinami, kot so tlak, temperatura in prostornina, pa tudi celotna energija sistema. Očitno je to veliko preprostejši način za opredelitev sistema kot gledanje posameznih molekul in te informacije lahko še vedno uporabite za napovedovanje vedenja sistema.
Obstaja tudi znamenit postulat - postulat enakegaa prioriverjetnosti - to navaja, da ima sistem enako verjetnost, da bo v kateri koli mikrodržavi, ki je skladna s trenutno makrodržavo. To nistrogores je, vendar je dovolj natančen, da dobro deluje v številnih situacijah in je lahko koristno orodje pri preučevanju verjetnosti mikrostanov za sistem, ki ima določeno makrodržavo.
Kakšen je potem pomen mikrodržav?
Glede na to, kako zapleteno je izmeriti ali kako drugače določiti mikrodržavo za določen sistem, se lahko vprašate, zakaj so mikrodržave sploh koristen koncept za fizike. Kljub temu imajo mikrostati nekaj pomembnih uporab kot koncept, zlasti pa so ključni del opredelitveentropijasistema.
Pokličimo skupno število mikrodržav za določeno makrodržavoY.. Ko se sistem zaradi termodinamičnega procesa, kot je na primer izotermična ekspanzija, spremeni, se vrednostY.spremembe ob njem. S to spremembo lahko pridobimo informacije o sistemu in o tem, koliko je sprememba stanja vplivala nanj. Drugi zakon termodinamike omejuje, kakoY.se lahko spremeni, razen če kaj zunaj sistema ne komunicira z njim.
Entropija in drugi zakon termodinamike
Drugi zakon termodinamike pravi, da se celotna entropija izoliranega sistema (imenovanega tudi zaprt sistem) nikoli ne zmanjša in se v resnici sčasoma povečuje. To pa je precej napačno razumljen zakon fizike, zlasti zaradi definicije entropije in narave nečesa, kar je "zaprt" ali izoliran sistem.
Najenostavnejši del tega je, kaj pomeni reči, da je nekaj zaprt sistem. To preprosto pomeni, da sistem ne izmenjuje nobene energije z okoliškim okoljem in je tako v bistvu "izoliran" od okoliškega vesolja.
Opredelitev entropije je najbolje podati matematično, kjer je entropija dobila simbolS, Y.se uporablja za število mikrodržav inkje Boltzmannova konstanta (k = 1.38 × 10−23 J K−1). Entropija je nato definirana z:
S = k \ ln (Y)
To vam pove, da je entropija odvisna od naravnega logaritma števila mikrodržav v sistemu in tako imajo sistemi z več možnimi mikrostanji višjo entropijo. Če zakon razmišljate s temi izrazi, lahko razumete, kaj pomeni zakon.
V primeru kroglic iz uvoda je začetno stanje sistema (plast belih kroglic na dnu s plastjo črne tiste na vrhu) je zelo majhna entropija, ker bi za to makrodržavo obstajalo zelo malo mikrodržav (npr. če kroglice barva).
Nasprotno pa stanje pozneje, ko so kroglice pomešane, ustreza višji entropiji, ker tamobremenitvemikrodržav, ki bi reproducirale makrostanje (tj. "mešane" kroglice). Zato koncept entropije pogosto imenujemo merilo "motnje", vsekakor pa bi moralo biti intuitivno smiselno, da bodo v zaprtem sistemu kroglice leporastv entropiji, vendar se nikoli ne zmanjša.