Понятие энтропии. Второй закон

Термодинамики

В основе термодинамики лежит различие между двумя ти­пами процессов — обратимыми и необратимыми. Обратимым называется процесс, который может идти как в прямом, так и в обратном направлении, и по возвращении системы в ис­ходное состояние не происходит никаких изменений. Любой другой процесс называется необратимым.

Законы классической механистической исследовательской программы являются обратимыми. С возникновением термо­динамики в физику входит представление о необратимости процессов, что указывает на границы применимости дина­мического описания явлений.

Для описания термодинамических процессов начала тер­модинамики недостаточно, ибо I начало термодинамики не позволяет определить направление протекания процессов в природе. Характер протекания процессов в природе фикси­руется II началом термодинамики, согласно которому в при­роде возможны процессы, протекающие только в одном направ­лении — в направлении передачи тепла только от более горячих тел менее горячим.

Р. Клаузиусом было установлено, что в обратимых процес­сах некоторая физическая величина, названная им энтропией S, сохраняется. Это означает, что энтропия системы может рассматриваться как функция состояния системы, ибо изме­нение ее не зависит от вида процесса, а определяется только начальным и конечным состояниями системы.

Понятие энтропии позволяет отличать в случае изолиро­ванных систем обратимые процессы (энтропия максимальна и постоянна) от необратимых процессов (энтропия возрастает).

Благодаря работам великого австрийского физика Л. Больцмана это отличие было сведено с макроскопического уровня на микроскопический. Всякое макросостояние может быть осуществлено различными способами, каждому из которых соответствует некоторое микросостояние системы. Число различных микросостояний, соответствующих данному макро­состоянию, называется статистическим весом W, или термо­динамической вероятностью макросостояния. Больцман первым увидел связь между энтропией и вероятностью и связал понятие энтропии S с натуральным логарифмом статистичес­кого веса

W: S = к In W,

где к — коэффициент пропорциональности, названный постоян­ной Больцмана.

Связав энтропию с вероятностью, Больцман показал, что второй закон термодинамики является следствием статисти­ческих законов поведения большой совокупности частиц.

Точка зрения Больцмана означала, что необратимое воз­растание энтропии в изолированной системе, которая не об­менивается энергией с окружающей средой, следует рассмат­ривать как проявление все увеличивающегося хаоса, посте­пенного забывания начальной асимметрии, ибо асимметрия приводит к уменьшению числа способов, которыми может быть осуществлено данное макросостояние, то есть к умень­шению термодинамической вероятности W. Так что любая изолированная система самопроизвольно эволюционирует в направлении забывания начальных условий, в направлении перехода в макроскопическое состояние с максимальной W, соответствующее состоянию хаоса и максимальной симметрии. При этом энтропия возрастает, что соответствует самопроиз­вольной эволюции системы. Закон этот обойти нельзя, воз­растание энтропии является платой за любой выигрыш в ра­боте, оно присутствует во всех физических явлениях. В со­стоянии теплового равновесия энтропия достигает своего максимального значения. Иными словами, в равновесном со­стоянии существует состояние молекулярного хаоса, что оз­начает полное забывание системой своего начального состоя­ния, несохранениее системой информации о своем прошлом.

По словам У. Эддингтона, возрастание энтропии, определяющее необратимые процессы, есть «стрела времени». Для изолированной системы будущее всегда расположено в направлении возрастания энтропии. Это и отличает будущее от на­стоящего, а настоящее от прошлого. То есть возрастание энтропии определяет направление, «стрелу времени». Энт­ропия же возрастает по мере увеличения беспорядка в систе­ме. Поэтому любая изолированная физическая система обна­руживает с течением времени тенденцию к переходу от по­рядка к беспорядку.

Соответственно вышесказанному уместно привести еще одну формулировку II начала термодинамики: «Энтропия изо­лированной системы при протекании необратимых процессов возрастает, ибо система, предоставленная самой себе, перехо­дит из менее вероятного состояния в более вероятное. Энтро­пия системы, находящейся в равновесном состоянии, макси­мальна и постоянна. ∆S > О».