Замислите да имате малу кутију испуњену једнаким бројем црних и белих перли. Када први пут добијете кутију, све беле перле су сложене у дну, а све црне перлице на врху.
Чим га почнете трести, ово уредно, уређено стање је потпуно сломљено и они се брзо помешају. Будући да постоји толико много специфичних начина на које се перлице могу распоредити, готово је немогуће да бисте, настављајући поступак насумичног мућкања, завршили са куглицама у њиховом првобитном редоследу.
Физичко објашњење овога своди се на други закон термодинамике, један од најважнијих закона у целој физици. Да бисте разумели детаље овог закона, мораћете да научите основе микродржава и макростања.
Шта је микродржава?
Микростање је један од могућих аранжмана за расподелу енергије свих молекула у затвореном систему. У горњем примеру зрна, микростање ће вам рећи тачне положаје свих појединачних црно-белих зрна, тако да ћетеу потпуностизнао је и за стање целог система, укључујући импулс или кинетичку енергију сваке куглице (ако је било покрета).
Чак и за мале системе, потребно вам је поприлично специфичних информација да бисте заиста одредили микро стање. На пример, за шест идентичних честица са девет јединица енергије распоређених између њих постоји 26 микростана за системе са идентичне честице (нпр. једна где честица има 9 енергије, једна где честица има 8, а друга 1, једна где једна има 7, а две имају 1 и тако даље). За системе са распознатљивим честицама (тако да је важно која је одређена честица на којој одређеној локацији), овај број се повећава до 2002.
Јасно је, међутим, да је тешко добити овај ниво информација о систему, и зато су то и физичари зависе од макростања или користе приступе попут статистичке механике за описивање система без огромних информација услов. Ови приступи у основи „просечавају“ понашање великог броја молекула, описујући систем мање прецизно, али на једнако користан начин за проблеме из стварног света.
Распоређивање молекула гаса у контејнеру
Претпоставимо да имате посуду са гасом која садржиН.молекуле, гдеН.је вероватно веома велики број. Баш као и зрнца у примеру из увода, постоји огроман број места на којима је молекул могу заузети унутар контејнера, а број различитих енергетских стања молекула је веома велик такође. На основу горе дате дефиниције микро државе, требало би да буде јасно да је и број могућих микростана унутар контејнера веома велик.
Али колики је број ових малих држава или микродржава? За један мол гаса на температури од 1 до 4 Келвина постоји масовних 1026,000,000,000,000,000,000 могуће микро државе. Величину овог броја је заиста тешко преценити: за поређење, има их око 1080 атома у читавом универзуму. За течну воду на 273 К (тј. 0 степени Целзијуса) постоји 101,991,000,000,000,000,000,000,000 доступне микро државе - да бисте написали овакав број, требала би вам хрпа папирасветлосних годинависоко.
Али ово није цео проблем у сагледавању ситуације у смислу микродржаве или могућих микродржава. Систем се спонтано мења из једне микро државе у другу, насумично и прилично континуирано, сложујући изазове стварања смисленог описа овим терминима.
Шта је макростата?
Макростање је скуп свих могућих микродржава система. Са њима је много лакше поступати него са различитим микростањем, јер са само неколико можете да опишете цео систем макроскопске величине, уместо да морају да одређују укупну енергију и прецизан положај свих састојака молекула.
За исту ситуацију када имате велики бројН.молекула у кутији, макростање се може дефинисати с релативно једноставним и лако мерљивим количинама као што су притисак, температура и запремина, као и укупна енергија система. Ово је очигледно много једноставнији начин за карактеризацију система од гледања појединачних молекула, и даље можете користити ове информације за предвиђање понашања система.
Постоји и познати постулат - постулат једнакогаприоривероватноће - то наводи да систем има једнаку вероватноћу да се налази у било којој микродржави која је у складу са тренутном макростањем. Ово нијестроготачно, али довољно је тачно да добро функционише у многим ситуацијама и може бити корисно средство када се разматра вероватноћа микростања за систем коме је дата одређена макростања.
Шта је онда значај микродржава?
Узимајући у обзир колико је компликовано мерити или на други начин одредити микростање за дати систем, можда се питате зашто су микродржаве уопште користан концепт за физичаре. Међутим, микро државе имају неколико важних употреба као концепт, а посебно су кључни део дефиницијеентропијасистема.
Назовимо укупан број микродржава за дату макро државуИ.. Када систем претрпи промену услед термодинамичког процеса - као што је на пример изотермално ширење - вредностИ.промене поред ње. Ова промена се може користити за добијање информација о систему и колико је промена стања утицала на њега. Други закон термодинамике ограничава какоИ.могу да се промене, осим ако нешто изван система не ступи у интеракцију са тим.
Ентропија и други закон термодинамике
Други закон термодинамике каже да укупна ентропија изолованог система (који се назива и затворени систем) никада не смањује, а заправо тежи да се временом повећава. Ово је, међутим, много погрешно схваћен закон физике, посебно због дефиниције ентропије и природе нечега што је „затворен“ или изолован систем.
Најједноставнији део овога је шта значи рећи да је нешто затворен систем. То једноставно значи да систем не размењује никакву енергију са околним окружењем, па је у основи „изолован“ од околног универзума.
Дефиницију ентропије је најбоље дати математички, где је ентропији дат симболС., И.користи се за број микродржава икје Болтзманнова константа (к = 1.38 × 10−23 Ј К−1). Ентропија се тада дефинише:
С = к \ лн (И)
То вам говори да ентропија зависи од природног логаритма броја микродржава у систему, тако да системи са више могућих микродржава имају већу ентропију. Можете да схватите шта закон значи ако о њему размишљате под овим условима.
У примеру перли из увода, почетно стање система (слој белих перли на дну са слојем црне оне он топ) је врло мала ентропија, јер би за ову макростају постојало врло мало микростана (нпр. тамо где су зрнца поредана по боја).
Супротно томе, стање касније, када су зрнца помешана, одговара већој ентропији јер тамооптерећењамикродржава које би репродуковале макростање (тј. „мешане“ перлице). Због тога се концепт ентропије често назива мером „нереда”, али у сваком случају, интуитивно би требало имати смисла да ће у затвореном систему перле самоповећатиу ентропији, али се никада не смањује.