4. Принцип возрастания энтропии, хаос и порядок

В дальнейшем немецкий физик Р. Клаузиус использовал для формулировки второго начала термодинамикипонятиеэнтропии, которое впоследствии австрийский физик Л. Больцман интерпретировал в терминах измененияпорядкав системе. Поясним это на примере.

Необратимость тепловых процессов имеет вероятностный характер. Самопроизвольный переход тела из равновесного состояния в неравновесное не невозможен, а лишь маловероятен. Так, молекулы газа стремятся к наиболее вероятному состоянию, т.е. состоянию с беспорядочным распределением молекул, при котором примерно одинаковое число молекул движется вверх и вниз, вправо и влево, при котором в каждом объеме находится примерно одинаковое число молекул, одинаковая доля быстрых и медленных молекул в верхней и нижней части какого-либо сосуда. Любое отклонение от такого беспорядка, хаоса, связано с уменьшением вероятности, т.е. представляет собой менее вероятное событие. Напротив, явления, связанные с перемешиванием, с созданиемхаоса изпорядка, увеличивают вероятность состояния. Только при внешнем воздействии возможно рождение порядка из хаоса, при котором порядок вытесняет хаос. В качестве примеров, демонстрирующих порядок, можно привести созданные природой минералы, построенные человеком большие и малые сооружения.

Количественной характеристикой теплового состояния тела является число микроскопических способов, которыми это состояние может быть осуществлено. Это число называется статистическим весом состояния, обозначаемым буквой . Тело, предоставленное самому себе, стремится перейти в состояние с большим статистическим весом. Принято пользоваться не самим числом, а его логарифмом, который еще умножается напостоянную Больцманаk. Определенную таким образом величину

S = 1n  ,

называют энтропиейтела.

Таким образом, второе начало термодинамики, определяющее направление тепловых процессов, можно сформулировать как закон возрастания энтропии:

• для всех происходящих в замкнутой системе тепловых процессов энтропия системы возрастает; максимально возможное значение энтропии замкнутой системы достигается при тепловом равновесии:

S  0.

Идеальному случаю – полностью обратимому процессу замкнутой системы – соответствует неизмеяющаяся энтропия:

 S= 0.

Все естественные процессы происходят так, что вероятность состояния возрастает, что означает переход от порядка к хаосу. Значит, энтропия характеризует меру хаоса, которая для всех естественных процессов возрастает. В этой связи становится понятным, почему механическое движение переходит в тепловое: механическое движение упорядочено, а тепловое беспорядочно, хаотично.

В середине XIX в. активно обсуждалась проблема тепловой смерти Вселенной. Рассматривая Вселенную как замкнутую систему и применяя к ней второе начало термодинамики, Р.Ю. Клаузиус свел его содержание к утверждению, что энтропия Вселенной должна достигнуть своего максимума. Это означает, что все формы движения со временем должны перейти в тепловые. Переход же теплоты от горячих тел к холодным приведет к тому, что температура всех тел во Вселенной сравняется, т.е. наступит полное тепловое равновесие, и все процессы во Вселенной прекратятся, – наступит ее тепловая смерть. Ошибочность вывода о тепловой смерти Вселенной заключается в том, что бессмысленно применять второе начало термодинамики к незамкнутым системам, например к такой безграничной и бесконечно развивающейся системе, как Вселенная.