3.5.4 Открытие закона сохранения и превращения энергии

Закон сохранения и превращения энергии был открыт работами Майера, Джоуля, Кольдинга и Гельмгольца.

Энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает, количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую.

3.5.5 Первое и второе начала термодинамики

Клаузиус определил эквивалентность работы и количества теплоты как первое начало термодинамики: .

Внутреннюю энергию тела () можно увеличить двумя эквивалентными способами: произведя над телом работу (A) или сообщая ему количество теплоты (Q).

Т.о. первое начало термодинамики утверждает невозможность возникновения или исчезновения энергии, но в процессе любого превращения одного вида энергии в другой всегда происходит снижение качества энергии или уменьшается количество полезной энергии. Например: 5% электрической энергии проходя через проволоку лампы накаливания превращается в световое излучения, остальные 95% - в тепло, которое рассеивается в окружающей среде. Т.е. все, что мы наблюдаем в природе (при любом превращении энергии, некоторое количество энергии переходит в менее качественную энергию, которая обычно рассеивается в окружающей среде в виде низкотемпературного тепла) сформулировано во втором начале термодинамики: в природе возможны процессы, протекающие только в одном направлении – передачи тепла от более горячих тел, менее горячим.

В 1865г. Клаузиус ввёл новое понятие – энтропия (от греч. поворот, превращение). Энтропия – мера внутренней неупорядоченности системы. Когда к газу подводят некоторое количество теплоты dQ, то энтропия (S) возрастает на величину, равную dS=dQ/T.

Второе начало термодинамики с использованием понятия энтропии называется законом возрастания энтропии: в термодинамике различают два типа процессов: обратимые – энтропия максимальна и постоянна и необратимые – энтропия возрастает.

3.5.6 Статистическая физика

Больцман свел отличие между обратимыми и необратимыми процессами с макроскопического на микроскопический уровень.

Макросостояние – состояние тела, заданное с помощью макропараметров – давление, температура, объем и пр. Микросостояние – состояние макроскопического тела, когда заданы состояния всех образующих тело молекул. Всякое макросостояние можно задать различными способами, каждому из которых соответствует некоторое микросостояние системы. Число различных микросостояний, соответствующих данному макросостоянию, называется термодинамической вероятностью (W).

Рассмотрим на примере. Поместим в сосуд с теплоизолированными стенками некоторое количество газа, число молекул которого равно N. Выделим одну молекулу. Наблюдая за этой молекулой, мы скоро убедимся, что она может занимать любое положение в сосуде. Теперь разделим сосуд на две половины. Наша молекула, беспорядочно блуждая, сталкиваясь с другими молекулами, пробудет в одной половине сосуда половину времени, в течение которого мы за ней наблюдаем, т.е. вероятность её пребывания в одной половинке сосуда равна ½. Если мы будем наблюдать за двумя молекулами, то вероятность того, что мы обнаружим сразу обе молекулы в одной половине сосуда окажется равной произведению вероятностей каждой молекулы ½*½.=1/4.Аналогично для 3х молекул: (1/2)³, для N молекул (1/2)^N. Например, в 29 гр. воздуха содержится N=6,023²³. Т.е. вероятность нахождения сразу всех молекул в одной половине сосуда ничтожно мала (маловероятно). Вероятность же того, что все молекулы находятся во всём объеме данного сосуда максимальна и равна 1 (W max). Допустим, нам с помощью перегородок в некоторый момент времени удалось загнать все молекулы в верхнюю часть сосуда. Остальной объем сосуда остался пустым. Далее, если уберём перегородку, то все молекулы заполнят весь объём сосуда, т.е. перейдут из состояния с меньшей вероятностью в состояние с большей вероятностью. Или, другими словами, процессы в системе идут в одном направлении: от некоторой структуры, порядка, когда все молекулы содержались в верхней части сосуда, к полной симметрии: хаосу, беспорядку, когда молекулы могут занимать любые точки пространства сосуда. Больцман доказал знаменитую Н-теорему, согласно которой идеальный газ, находящийся первоначально в нестацио­нарном состоянии, с течением времени сам собой должен перехо­дить в состояние статистического равновесия. Больцман выводит энтропию через логарифм вероятности состояния системы S = k InW. Эта фор­мула высечена на памятнике Больцману над его могилой на клад­бище в Вене.

Идея Больцмана стала развитием нового подхода при описании систем, состоящих из большого числа частиц. Это был иной подход, чем в механике Ньютона. Очевидно, что наш пример с меченными молекулами в принципе неосуществим, невозможно длительное время следить за движением отдельной молекулы, невозможно точно определить координаты и скорость всех молекул макроскопического тела одновременно. Следовательно, задачу необходимо ставить иначе. А именно, найти вероятность того, что данная молекула обладает каким-то значением скорости. Используя новый подход, Максвелл вывел закон распределения числа молекул по скоростям: распределение молекул по направлениям скоростей изотропное, что естественно, поскольку в пространстве ни одно из направлений ничем не выделено.