С точки зрения кинетической теории состояние теплового равновесия возникает как результат равенства скоростей прямого и обратного процессов (например, равенства скоростей испарения и конденсации в замкнутом сосуде с жидкостью).
Следует подчеркнуть, что равенство это выполняется лишь в среднем (для не слишком малых промежутков времени и не слишком малых объемов): при переходе к малым временам и малым объемам наблюдаются отклонения от теплового равновесия, или флуктуации, обусловленные неточным совпадением скоростей противоположно направленных элементарных процессов в каждый данный момент.
Состояние теплового равновесия устойчиво. Понятие теплового равновесия применимо не только к выравниванию температуры вследствие переноса тепла, к фазовым превращениям, к химическим реакциям, но и к любым явлениям природы - физическим, химическим, биологическим, космическим: любая система при неизменных внешних условиях с течением времени всегда приходит в состояние теплового равновесия и никогда самопроизвольно из него не выходит.
Термодинамики устанавливает критерии теплового равновесия. Американский физик Дж.У.Гиббс, один из создателей классической и статистической термодинамики, придумал для расчета равновесий метод термодинамических потенциалов, или характеристических функций.
Согласно Гиббсу, существуют такие функции, которые в состоянии теплового равновесия достигают минимума. Например, если процесс происходит при заданных температуре и давлении, то в состоянии теплового равновесия минимума достигает свободная энергия Гиббса; в теплоизолированной системе, находящейся при постоянном объеме, - внутренняя энергия.
Энергия, температура, энтропия
Немецкий физик Р.Клаузиус ввел функцию S, которую он назвал энтропией и сформулировал второй закон термодинамики (1865): “При самопроизвольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию, энтропия всегда возрастает”.
Вот несколько равноценных формулировок второго начала термодинамики:
1) невозможно построить вечный двигатель второго рода, то есть машину, которая работает за счет тепла окружающей среды;
2) работу можно получить лишь выравнивая перепады каких-либо параметров системы (температуры, давления, электрического потенциала);
3) в замкнутой (то есть не получающей энергии извне) системе прирост энтропии всегда положителен;
4) все самопроизвольно протекающие процессы в замкнутых системах идут в сторону наиболее вероятного состояния системы.
Австрийский физик Л.Больцман открыл физический смысл энтропии и причины ее роста в изолированных системах: энтропия - мера беспорядка в системе. Полный порядок соответствует минимуму энтропии; любой беспорядок увеличивает ее. Максимальная энтропия соответствует полному хаосу. Энтропия жидкости больше, чем твердого тела; а энтропия газа больше чем энтропия жидкости.
Больцман впервые ввел понятие термодинамической “вероятности состояния системы”. Всякая система, состоящая из очень большого числа частиц, будет переходить от состояний менее вероятных к состояниям более вероятным, осуществляющимся большим числом способов. Связь между энтропией S и числом способов реализации данного состояния (термодинамической вероятностью) P дает формула Больцмана: S=klnP+const, где - постоянная Больцмана. Или S=klnW. Читается эта формула так: энтропия замкнутой системы прямо пропорциональна натуральному логарифму термодинамической вероятности состояния системы.
Когда энтропия системы достигает максимума, то никакие процессы в ней невозможны. Но при этом необходимо различать микропроцессы и макропроцессы. В природе необратимы все макроскопические процессы, они протекают в направлении возрастания энтропии. Необратимым является такой процесс, который в обратном направлении может протекать только как одно из звеньев более сложного процесса.
Одному и тому же макросостоянию может соответствовать множество микросостояний, которые с течением времени непрерывно сменяют друг друга, хотя на макроуровне может не наблюдаться никаких изменений. Действие закона возрастания энтропии при протекании процессов в замкнутых системах проявляется только на макроуровне.
Энтропия, как и энергия, - функция состояния системы. Энергия проявляется в работе. Энергия как функция состояния системы характеризуется определенными координатами, а работа равна разности энергий системы при переходе ее из одного состояния в другое.
В соответствии с законом сохранения энергии все формы движения материи могут переходить одна в другую. Но существуют “ловушки”, в которых различные виды движения материи превращаются в тепловое движение -трение, электрическое сопротивление, теплопроводность. А это превращение необратимо. В конце концов вся энергия системы превращается в энергию теплового движения и рассеивается в окружающем пространстве, а энтропия системы достигает максимума.
Энергия и энтропия всегда рядом. Энергия дает жизнь каждому листику, травинке, движение облакам, рекам, ветру. А энтропия? Если бы ее не было, все процессы в мире стали бы обратимыми. Книга соскользнет на пол и расползется на волокна, раскрутятся гайки и винты, на нас обрушится какофония звуков, которую произведут все происшедшие на Земле удары грома, выстрелы, взрывы, музыка, речь людей... В таком мире все виды движения материи будут долго превращаться друг в друга без потерь, но как бы мы прожили в этом мире?
Ближний и дальний порядки в природеБлижний порядок - относительно упорядоченное расположение соседних частиц внутри малых объемов вещества. Дальний порядок - регулярное периодическое расположение частиц вещества по всему занимаемому им объему.
Строгое определение порядка и беспорядка математики дали лишь где-то в начале 60-х годов ХХ века.
Сравним две записи:
1) 1010101010101010101010101010101010101010
2) 1100001101010000001110101000001110011001
Для записи первого числа достаточно сказать: повтори набор 10 двадцать раз, для записи второго нужно продиктовать все 40 цифр.
Степень беспорядка может быть определена объемом информации, которую надо сообщить для записи числа.
3) 000011100000001111111111000000011111100000000
Данная запись характеризуется микроскопическим беспорядком (последовательности цифр чередуются как попало), но макроскопическим порядком (часто встречаются длинные последовательности нулей и длинные последовательности единиц).
Тело или система с идеальным макроскопическим беспорядком, в котором все направления равноценны, называется изотропным.
Тело, в котором разные направления неравноценны, называют анизотропным.
Распределение молекул в газах является примером осуществляющегося в природе полного, совершенного беспорядка в расположении и движении частиц.
ХасХс (гр.) - полный беспорядок. Хдаос - в древнегреческой мифологии бездна, наполненная мраком и туманом, из которого произошло все существующее.
Микропорядок и макропорядок. Ближний и дальний порядок
Модель 1: мешки с картошкой, уложенные штабелями. Центры мешков образуют правильную трехмерную решетку, а внутри мешка полный беспорядок. Макроскопический дальний порядок есть, микроскопического нет.
Модель 2: мешки с картошкой свалены как угодно, у каждого в среднем двенадцать соседей. От дальнего макроскопического порядка мы избавились, а ближний остался.
Деление порядка на ближний и дальний, на макроскопический и микроскопический могут сочетаться, как угодно, и все случаи действительно встречаются в мире молекул и кристаллов.
Особенно интересны такие сочетания в мире живого, где мы находим случаи отсутствия микроскопического порядка и наличия дальнего макроскопического. Так обстоит дело в структуре мышц, в молекулах ДНК.
Если молекулы предоставлены сами себе и на них не действуют мешающие их тепловому движению силы, то наиболее вероятным является беспорядочное распределение молекул. Беспорядочным является такое состояние, когда средние скорости молекул во всех точках пространства одинаковы.
В любой области знаний мы сталкиваемся с проблемами порядка и беспорядка (информация, генетика, суждения людей...) Например макроскопическим порядком обладают суждения людей о спортивных достижениях (измеряемые в баллах), о понятиях добра и красоты...
Фазовые переходы и симметрия
Переходы вещества из одной фазы в другую при изменении состояния системы называют фазовыми превращениями. Фаза - совокупность телесных объектов с определенным химическим составом и термодинамическими свойствами, отделенная от других фаз поверхностью раздела. Или иначе: фаза - это однородная часть неоднородной системы.
Фазовый переход - переход вещества из одной термодинамической фазы в другую при изменении внешних условий.
Фазовый переход первого рода - сопровождается скачкообразным изменением внутренней энергии и плотности.
Фазовый переход второго рода - отсутствует скачкообразное изменение внутренней энергии или плотности.
Фазовые переходы второго рода связаны с изменением порядка. Вблизи температуры фазового перехода степень порядка сколь угодно близка к нулю. Поэтому фазовый переход второго рода не требует затрат энергии.
При фазовых переходах второго рода происходит изменение внутренней симметрии тел. Примерами таких переходов могут служить: 1) переход металла в сверхпроводящее состояние; 2) переходы ферромагнетик - парамагнетик; 3) переход жидкого гелия в свертекучее состояние.
Необратимость - неустранимое свойство реальности. Стрела времени
Мир - это непрерывно хаотически движущиеся атомы и молекулы. Однако как это связать с гармонией и красотой окружающего нас макромира?
Джон Холл (XVII век): “Если то, что мы называем Вселенной, случайно зародилось из атомов, которые неутомимы в своем вихревом движении, то как случилось, что ты прекрасна, а я влюблен?”
Чем объясняется направленность процессов в окружающем мире? Закон, при помощи которого можно предсказать направление эволюции какой-либо физической системы, называется вторым началом термодинамики. Одна из его формулировок гласит: замкнутая система сама по себе, т.е. самопроизвольно, переходит из менее вероятного состояния в более вероятное.
Закон возрастания энтропии можно сформулировать следующим образом: во всех замкнутых системах энтропия никогда не убывает, она либо остается постоянной, либо возрастает. Соответственно этим двум возможностям все процессы, которые могут происходить с телами, делятся на обратимые и необратимые. Первые из них могут протекать как в прямом, так и в обратном направлениях, поскольку энтропия при этом не меняется; для вторых - это невозможно, поскольку связано с уменьшением энтропии.
По мнению ряда авторов, наблюдаемое в лабораторных экспериментах направление времени тесно связано с направлением времени, характерным для Вселенной в целом. Возможно, следует предположить существование некоторого взаимодействия (может быть, гравитации), наличие которого вообще делает в принципе невозможным строгую изоляцию системы, и именно это взаимодействие “диктует” направление времени во всех частях Вселенной (Ф.Кемпфер, 1972).
Развитие материальных систем во Вселенной происходит необратимым образом - от прошлого к будущему. Это означает, что течение времени асимметрично: оно направлено от прошлого (через настоящее) к будущему, причина всегда предшествует следствию, “стрела времени” всегда устремлена в будущее.
Не следует слишком упрощенно понимать связь стрелы времени с космологическими процессами: стрела времени не будет изменять свое направление на обратное, если Метагалактика когда-нибудь перестанет расширяться и начнет сжиматься. Если наблюдатели могли бы только по часам судить о происходящих во Вселенной процессах, то они, вероятно, даже не заметили бы, что расширение Метагалактики сменилось сжатием.
Литература1. Аронов Р.А. Квантовый парадокс Зенона/ Природа, 1992, 12
2. Ильин В.Г., Илясов Ю.П., Кузьмин А.Д. Пульсары - независимые стандарты времени/ Природа, 1990, 2
3. Киржниц Д.А. Элементарная длина/ Природа, 1991, 10
4. Фролов В.П. Черные дыры, “кротовые норы” и машина времени/ Природа, 1991, 8
5. Хокинг С. Стрела времени/ Природа, 1990, 1
Тема 1.3. Физика как целоеИерархия структур природыВыделяют три крупных структурных уровня организации Вселенной:
- мегамир (Галактики, Метагалактика)
- макромир (человек, окружающая среда, планета)
- микромир (элементарные частицы, атомы, молекулы)
С точки зрения физиков иерархия объектов природы выглядит следующим образом: элементарные частицы - ядра - атомы - молекулы - макротела (кристаллы, жидкости, газы, плазма) - планеты - звезды - галактики -Вселенная. Биологи предлагают следующую иерархию биологических систем: макромолекулы - органоиды - клетки - ткани - органы - системы органов - организмы - популяции - виды - биоценозы - биосфера.
В социологи можно выделить следующие уровни социальной организации: семья - род - племя - нация - цивилизация (?)
МикромирЭлементарные частицы и фундаментальные взаимодействия. В природе существуют качественно различные связанные системы объектов - ядра, атомы, макротела, звездные системы. Существует нечто такое, что скрепляет части системы в целое. Чтобы разрушить систему частично или полностью, нужно затратить энергию. Взаимное влияние частей системы характеризуется энергией взаимодействия, или просто взаимодействием.
В настоящее время принято считать, что любые взаимодействия каких угодно объектов могут быть сведены к ограниченному классу основных фундаментальных взаимодействий: сильному, электромагнитному, слабому и гравитационному.
Гравитационное взаимодействие (тяготение). Притяжение тел к Земле, существование солнечной системы и галактик обусловлено действием сил тяготения, или, иначе, гравитационными взаимодействиями.
Эти взаимодействия универсальны, т.е. применимы к любым микромакрообъектам. Однако они существенны лишь для астрономических объектов, для формирования структуры и эволюции Вселенной как целого. Гравитационные взаимодействия очень быстро ослабевают с уменьшением массы объектов и практически не играют роли для ядерных и атомных систем.
Источником гравитации являются массы тел, а дальность гравитационного взаимодействия неограниченна.
Закон всемирного тяготения (Ньютон): гравитационная сила, с которой притягиваются друг к другу две частицы (тела), обратно пропорциональна квадрату расстояния между их центрами и прямо пропорциональна произведению их масс.
где G - гравитационная постоянная =
Электромагнитные взаимодействия. Ими обусловлены связи в атомах, молекулах и обычных макротелах. Радиус их действия также не ограничен, но оно преобладает внутри вещества: определяет химические связи, излучение света, намагничивание, словом, все явления, наблюдаемые в молекулах и атомах. Гравитационное взаимодействие здесь не сказывается из-за его малой силы, а слабое и сильное - из-за их короткого радиуса действия. Энергия ионизации атома, т.е. энергия отрыва электрона от ядра определяет значение электромагнитного взаимодействия, существующего в атоме.
Сильные (ядерные) взаимодействия. Наличие в ядрах одинаково заряженных протонов и нейтральных частиц говорит о том, что должны существовать взаимодействия, которые гораздо интенсивнее электромагнитных (в сотни раз), ибо иначе ядро не могло бы образоваться. Эти взаимодействия проявляются лишь в пределах ядра на расстояниях менее 10-13 см. Сильное взаимодействие скрепляет нуклоны в ядре и кварки внутри нуклонов.
Нуклон-нуклонная сила не является “чистой” силой притяжения. На расстояниях порядка 10-14 см она становится силой отталкивания. Мы до сих пор не знаем природы этих сил во всех деталях; их разгадка является одной из главных проблем современной ядерной физики.
Слабые взаимодействия. Слабое взаимодействие существует между любыми парами элементарных части. Радиус их действия не больше, чем у ядерных сил, а может быть, и равен нулю.
Обнаруженная в 1896 году Беккерелем радиоактивность была первым сигналом о наличии слабых взаимодействий. Оказалось, что слабое взаимодействие принимает участие в некоторых термоядерных реакциях, поддерживающих излучение Солнца и других звезд.
Оно является единственным взаимодействием, существующим между электроном и нейтрино
Это взаимодействие виртуально (на короткое время) превращает каждый протон ядра в нейтрон, позитрон и нейтрино, а каждый нейтрон - в протон, электрон и антинейтрино.
Слабое взаимодействие вызывает переходы между разными типами кварков, бета-распады нуклонов в ядрах. При бета-распаде один из трех кварков, составляющих нуклон, переходит в кварк другого типа и излучает электроны и антинейтрино.
Нейтроны имеют массу, превышающую приблизительно на 1 МэВ сумму масс протона и электрона. Поэтому свободный нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино с выделением энергии приблизительно 1 МэВ. Время жизни свободного нейтрона примерно 10 мин.
Аналогичное событие происходит с мюоном - он распадается на электрон, нейтрино и антинейтрино. Перед тем, как распасться, мюон живет около 10-6 с.
40 лет понадобилось физикам, чтобы прийти к убеждению, что слабое взаимодействие переносится сверхмассивными частицами - в 100 раз тяжелее протона. Эти частицы имеют спин 1 и называются векторными бозонами (открыты в 1983 г.)
Значительное число медленных распадов элементарных частиц сопровождается излучением нейтрино. Эта частица крайне слабо взаимодействует с веществом. Длина пути между двумя столкновениями нейтрино с частицами вещества в среде с обычной плотностью - 1017 км. Следовательно, Земля для нейтрино совершенно прозрачна.
По своей величине основные взаимодействия располагаются в следующем порядке: сильное (ядерное) - электрическое - слабое - гравитационное.
Физики пытаются уловить связь между силами природы. Выяснилось, что электромагнитное и слабое взаимодействия связаны друг с другом. Электромагнитное поле представляет собой часть более общего электрослабого поля, состоящего из нескольких компонент. Элементарные частицы - кварки и лептоны - излучают и поглощают кванты электрослабого поля, которыми являются фотоны и бозоны.
Радиус действия слабых сил см. На этом масштабе они объединяются с электромагнитными силами, а на меньших масштабах электрослабые поля неразделимы.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24
