Электроника Физика Электротехника Полупроводниковые материалы Теория конструктивных материалов Курс черчения Контольная работа

Конспект курса лекций по физике. Классическая физика

Для вычисления энтропии системы

в данном состоянии относительно какого-нибудь состояния, принятого за нулевое, нужно вычислить значение  при каком-нибудь обратимом процессе, приводящем систему из данного состояния в нулевое. Энтропия замкнутой системы остается постоянной, если система претерпевает обратимое изменение состояния.

Энтропия замкнутой системы, необратимо изменяющей свое состояние, возрастает.

Максимальное значение энтропии соответствует равновесию системы.

Энтропия непосредственно связана с вероятностью состояния. Возрастание энтропии системы при необратимом изменении ее состояния означает, что система переходит из менее вероятного в более вероятное состояние.

Энтропия является мерой беспорядка системы.

Рост энтропии при необратимом процессе означает, что энергия, которой обладает система, становится менее доступной для преобразования её в механическую работу. В состоянии равновесия, когда энтропия достигла максимального значения, энергия вовсе не может быть преобразована в работу.

«Тепловая смерть» Вселенной. Столь всеобъемлющее значение энтропии и исследование её свойств привело к нетривиальным измышлениям некоторых физиков, вообще склонных к философским обобщениям.

Совершенно ничем не оправдано распространение второго начала термодинамики в «энтропийной» интерпретации, установленного для замкнутых земных систем на всю безграничную Вселенную. Такая экстраполяция привела некоторых физиков и философов-идеалистов к выводу о неизбежности выравнивания температур всех тел Вселенной и прекращения всяких иных форм движения, кроме хаотического теплового движения. Это состояние Р. Клаузиус назвал «тепловой смертью» Вселенной.

Философская несостоятельность вывода о неизбежности «тепловой смерти» Вселенной была вскрыта Ф. Энгельсом. В «Диалектике природы» Ф. Энгельс указывает: «Неуничтожаемость движения надо понимать не только в количественном, но и в качественном смысле». Согласно же выводу Клаузиуса «...энергия теряется, если не количественно, то качественно», что с неизбежностью приводит к признанию «толчка извне», т. е. сотворения мира. (Это, кстати, подчеркивает гениальность Клаузиуса – гипотеза «Первичного Взрыва» на всем серьезе принята многими современными астрофизиками).

Энгельс предостерегает от поверхностного опровержения гипотезы Клаузиуса путем ссылки на неисчерпаемость общей энергии Вселенной, так как оно не доказывает главного — вечности круговорота различных форм движения во Вселенной.

Теория Клаузиуса была подвергнута критике Л. Больцманом, а затем М. Смолуховским и другими физиками-материалистами, которые показали, что в связи с бесконечностью Вселенной в отдельных частях ее неизбежны флуктуации, нарушающие тепловое равновесие, причем величина и продолжительность таких флуктуаций может быть весьма велика. Как такую «флуктуацию» рассматривают рождение сверхновых звезд, доказываемое теоретически и наблюдавшееся реально.

Некоторые физики доказывают математическую порочность обобщения законов статистической физики, в том числе и второго закона термодинамики, на всю бесконечную Вселенную. Для такой системы все состояния равновероятны, а поэтому нет наиболее  вероятного (равновесного).

Третье начало термодинамики

Многочисленные опыты показывают, что с понижением температуры во всякой системе наблюдается тенденция ко все большей степени упорядоченности. На это указывают исследования строения тел, магнитные их свойства и многие другие данные.

Можно полагать, что упорядоченное состояние отвечает меньшей энергии частиц, образующих тело, но что установлению порядка при высоких температурах препятствует тепловое движение.

Если бы можно было охладить тело до абсолютного нуля, когда тепловые движения не могут мешать установлению порядка, то в системе установился бы максимальный мыслимый порядок и этому состоянию соответствовала бы минимальная энтропия. Мало того, этот «застывший» порядок должен был бы самопроизвольно поддерживаться (правда, непонятно, как это можно экспериментально проверить – фундаментальное соотношение неопределенностей запрещает возможность такой проверки).

Возникает, однако, вопрос: как бы вело себя тело при абсолютном нуле, если бы над ним совершалась внешняя работа (например, было бы приложено давление)? Может ли изменяться энтропия тела, находящегося при абсолютном нуле?

На основании многих опытов, проводившихся при низких температурах, сделан важный вывод, который формулируется в следующем виде (Нернст, 1906 г.):

при абсолютном нуле температуры любые изменения состояния происходят без изменения энтропии.

Это утверждение обычно называют теоремой Нернста. Иногда его возводят в ранг третьего начала термодинамики.

Как мы видели выше, вероятностная трактовка понятия энтропии позволяет сделать вывод о том, что энтропия при абсолютном нуле температуры равна нулю, что, конечно, не противоречит формулировке Нернста.

Т.е. математически теорему Нернста – третье начало термодинамики можно сформулировать как

 (14.5)

Из того факта, что при Т = 0 и S = 0, следует, что абсолютный нуль принципиально недостижим, так как нетрудно показать, что если бы существовало тело с температурой, равной нулю, то можно было бы построить вечный двигатель второго рода, что противоречит второму началу термодинамики. Иногда третье начало термодинамики формулируют, как принцип недостижимости абсолютного нуля.

Из третьего начала термодинамики следуют важные выводы о поведении вещества при очень низких температурах. Так, например, из него вытекает, что с понижением температуры теплоемкость тел должна стремиться к нулю вместе с температурой, а при абсолютном нуле она должна быть равна нулю. Опыт хорошо подтверждает эту тенденцию. Можно показать, что должны стремиться к нулю (а при Т = 0 стать равными нулю) и коэффициент теплового расширения тел, коэффициент сжимаемости и т. д. Все это, впрочем, относится к системам, находящимся в равновесном состоянии. У тел, не находящихся в равновесном состоянии, энтропия при абсолютном нуле может и отличаться от нуля.

Простота основных принципов, теории линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами обусловила большую разработанность теории линейных колебаний, общность формулировок ее законов и их физическую наглядность. Свойство линейности дифференциальных операторов, интерпретируемое как принцип суперпозиции колебаний, позволили сводить исследование влияния произвольных приложенных сил на линейную колебательную систему к исследованию влияния сил простейшего типа, гармонически зависящих от времени. Тем самым выработался "спектральный" подход к колебательным процессам, получившим громадное значение и вне теории колебаний в собственном смысле.

На главную сайта: Курс физики