Количество теплоты, сообщенное газу, идет на увеличение внутренней энергии газа и совершение газом внешней работы

Таким образом, здесь проявляется общее свойство теплоты – уравнивание температурной разницы путем перехода от теплых тел к холодным. Это положение Клаузиус и предложил назвать «Вторым началом механической теории теплоты».

10 вопрос Динамические и статистические закономерности. Необратимость в сложных системах.

Своеобразным отображением диалектичности явлений и процессов природы является раскрытие динамических и статистических закономерностей в природе.
Микромир – это мир мельчайших частиц (молекул, атомов и т.д.), а макромир – это мир крупных тел, состоящих из множества мельчайших частиц.
В результате изучения движения микро- и макросистем в природе были выявлены многие закономерности протекания этих процессов.
Изучением движения макросистем занимается раздел механики динамика. Классическая динамика базируется на 3-х основных законах ньютоновской механики. Используя эти законы, динамика способна решить задачи по определению силы, под действием которой происходит движение тела, если известен закон движения данного тела, а также определить закон движения тела, если известны силы, действующие на него.
Динамические законы приложимы к исследованию движения всех объектов макромира: твердым, жидким и газообразным телам, упругим и деформируемым, к телам переменной массы.
Движение микрочастиц исследуется в квантовой механике, которая показала, что, в противоположность объектам макромира, к объектам микромира законы динамики неприложимы. Было установлено, что при движении одинаковые частицы в одинаковых условиях могут вести себя по-разному. Для описания движения частиц требуется применение вероятностных представлений.
Так, если мы поставим эксперимент с двумя отверстиями, через которые проходит электрон, то нельзя точно сказать, через какое отверстие он пройдет, но если их много, то можно предположить, что часть пройдет через одно, часть - через другое. Поэтому законы квантовой механики, законы, описывающие движение частиц, – это законы статистического характера.
В микромире господствуют статистические законы, которые можно применять только к большим совокупностям, но не к отдельным индивидуумам. Квантовая механика отказывается от поиска индивидуальных законов элементарных частиц и устанавливает статистические законы.
Свойственные для объектов микромира статистические закономерности, а для объектов макромира динамические закономерности ярко демонстрируют диалектический характер развития природных явлений и процессов. Кроме того, раскрытие статистических и динамических закономерностей демонстрирует диалектическую связь между случайным и необходимым.
В классической динамике фактор случайности не принимается во внимание, ибо не оказывает существенного влияния на ход процессов. Законы классической динамики считались детерминистскими законами, т.е. обеспечивающими точные и достоверные предсказания. В действительности же необходимость возникает как результат взаимодействия многих случайностей, о чем свидетельствуют статистические законы.

Концепция необратимости в термодинамике
Термодинамика-это раздел физики изучающей законы передачи распространения и превращения тепла.
Экспериментально было доказано, что тепловая энергия превращается в механическую в строго определенных пропорциях. Это указывало на наличие механического эквивалента теплоты а следовательно и о ее сохранении(сохраняется превращаясь в другие формы)
В узком плане теория термодинамики гласит:
Всякое тело обладает внутренней энергией и при этом эта энергия может уменьшится если тело совершит энергию и увеличивается если ему сообщать теплоту. От сюда следует невозможность создания двигателя первого рода (машину получающую работу из ничего).

Рассматривая законы движения в классической и квантовой механике, мы не обращали внимания на характер времени, посредством которого описываются процессы изменения в этих теориях. Время в них выступало в качестве особого параметра, знак которого можно менять на обратный. Действительно, если заданы начальное состояние системы, т.е. начальные ее координаты и импульсы, и известны уравнения движения, то в механике можно вполне однозначно определить любое ее состояние как в будущем, так и прошлом.
Следовательно, направление времени никак не учитывается в классической механике. То же самое следует сказать о квантовой механике, хотя в ней предсказания имеют лишь вероятностный характер. Такое представление о времени противоречит как повседневной нашей практике, так и тем теоретическим воззрениям, которые установились в естественных науках, изучающих конкретные изменения явлений во времени (история, геология, палеонтология, биология и др.). Если классическая физика и особенно механика изучали обратимые процессы, то биологические, социальные и гуманитарные науки ясно показывали, что предметом их исследования служат процессы необратимые, изменяющиеся во времени и имеющие свою историю.
Наиболее резкое противоречие в прошлом веке возникло между прежней физикой и эволюционной теорией Дарвина. Если, например, в механике все процессы представляются обратимыми, лишенными своей истории и развития, то теория Дарвина убедительно доказала, что новые виды растений и животных возникают в ходе эволюции в результате борьбы за существование. В этой борьбе выживают те организмы, которые оказываются лучше приспособленными к изменившимся условиям окружающей среды. Следовательно, в живой природе все процессы являются необратимыми. То же самое можно сказать в принципе и о социально-экономических, культурно-исторических и гуманитарных системах, хотя эволюция в природе происходит значительно медленнее, чем в обществе.
Физика приближалась к разрешению указанного выше противоречия через пересмотр и создание ряда промежуточных концепций, одной из которых является идея об эволюции систем, но не в сторону усиления их организации и сложности, а напротив, - в сторону дезорганизации и разрушения систем.

Первый закон термодинамики не может отличить обратимые процессы от необратимых. Он просто требует от термодинамического процесса определенного энергетического баланса и ничего не говорит о том, возможен такой процесс или нет. Направление самопроизвольно протекающих процессов устанавливает второй закон термодинамики. Он может быть сформулирован в виде запрета на определенные виды термодинамических процессов.
Английский физик У. Кельвин дал в 1851 г. следующую формулировку второго закона:
В циклически действующей тепловой машине невозможен процесс, единственным результатом которого было бы преобразование в механическую работу всего количества теплоты, полученного от единственного теплового резервуара.
Немецкий физик Р. Клаузиус дал другую формулировку второго закона термодинамики:
Невозможен процесс, единственным результатом которого была бы передача энергии путем теплообмена от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой.
Следует отметить, что обе формулировки второго закона термодинамики эквивалентны.
Второй закон термодинамики связан непосредственно с необратимостью реальных тепловых процессов. Энергия теплового движения молекул качественно отличается от всех других видов энергии – механической, электрической, химической и т. д. Энергия любого вида, кроме энергии теплового движения молекул, может полностью превратиться в любой другой вид энергии, в том числе и в энергию теплового движения. Последняя может испытать превращение в любой другой вид энергии лишь частично. Поэтому любой физический процесс, в котором происходит превращение какого-либо вида энергии в энергию теплового движения молекул, является необратимым процессом, то есть он не может быть осуществлен полностью в обратном направлении.
Общим свойством всех необратимых процессов является то, что они протекают в термодинамически неравновесной системе и в результате этих процессов замкнутая система приближается к состоянию термодинамического равновесия.

11 вопрос Распределение Максвелла. Распределение Больцмана.

Максвелла распределение, распределение по скоростям (или импульсам) молекул системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия. Впервые установлено Дж. К. Максвеллом в 1859. Согласно М. р., вероятность Dw (v_x, v_y, v_z) того, что проекции скорости молекулы лежат в малых интервалах от v_x до v_x + Dv_x, от v_y до v_y + Dv_y и отv_z до v_z + Dv_z определяется формулой:

(1)

Здесь m— масса молекулы, Т — абсолютная температура системы, k — постоянная Больцмана.

Вероятность того, что абсолютное значение скорости лежит в интервале отv до v + Dv, вытекает из (1) и имеет вид:

(2)

Эта вероятность достигает максимума при

Скорость v₀ называется наиболее вероятной. Чем ниже температура системы, тем большее число молекул имеют скорости, близкие к наиболее вероятной (см. рисунок).

Среднее число частиц в 1 см³ газа со скоростями в интервале от v до v + Dv равно Dn(v) = n₀Dw(v), где n₀ — полное число частиц в 1 см³.

С помощью М. р. можно вычислять средние значения скоростей молекул и любых функций этих скоростей. В частности, средняя квадратичная скорость

лишь немного (в раз) превышает наиболее вероятную скорость. Например, для азота при Т " 300 К м/сек, a v₀ " 360 м/сек.

М. р. вытекает из Гиббса распределения канонического в том случае, когда поступательное движение частиц можно рассматривать в классическом приближении (см. Статистическая физика). М. р. не зависит от характера взаимодействия частиц системы и от внешних сил и потому справедливо как для молекул газа, так и для молекул жидкостей и твёрдых тел. М. р. справедливо также для броуновских частиц, взвешенных в газе или жидкости (см.Броуновское движение).

Экспериментальное подтверждение М. р. получено в опытах с молекулярными пучками.

Распределение Больцмана — распределение вероятностей различных энергетических состоянийидеальной термодинамической системы (идеальный газ атомов или молекул) в условиях термодинамического равновесия; открыто Л. Больцманом в 1868—1871.

Согласно распределению Больцмана среднее число частиц с полной энергией равно

где — кратность состояния частицы с энергией — число возможных состояний частицы с энергией . Постоянная находится из условия, что сумма по всем возможным значениям равна заданному полному числу частиц в системе (условие нормировки):

В случае, когда движение частиц подчиняется классической механике, энергию можно считать состоящей из

§ кинетической энергии (кин) частицы (молекулы или атома),

§ внутренней энергии (вн) (например, энергии возбуждения электронов) и

§ потенциальной энергии (пот) во внешнем поле, зависящей от положения частицы в пространстве:

Распределение Максвелла

Распределение частиц по скоростям (распределение Максвелла), частный случай распределения Больцмана, имеет место, когда можно пренебречь внутренней энергией возбуждения (вн) и влиянием внеш. полей (пот). В соответствии с разложением энергии на три слагаемых распределение Больцманаможно представить в виде произведения трёх экспонент, каждая из которых даёт распределение частиц по одному виду энергии.

12 вопрос Энтропия в равновесных системах. Энтропия – мера хаоса. Стрела времени.

Рассмотрим закрытые системы. Центральным понятием термодинамики является энтропия S. Энтропия - это функция состояния, дифференциал от которой равен приведенному теплу dS = dQ/T, где Q - количество тепла, Т - температура. Энтропия долго считалась тенью " царицы-энергии" W, ее загадочным двойником. Их поведение в замкнутой системе различно. Энергия в замкнутой системе не создается и не уничтожается. Она сохраняется и не может служить индикатором на изменения в системе ( W = const ). Энтропия же постоянно создается во всяком процессе перехода к равновесию. Поведение энтропии определяется вторым началом ТД или законом возрастания энтропии.

Рост энтропии не беспределен. Ее значение в равновесии максимально. Второе начало ТД - это закон и принцип отбора, ограничивающий физически реализуемые состояния, которые можно наблюдать или " приготовить". Закон запрещает создание " вечного двигателя 2-го рода".