-->
|
|
|
Ãëàâíàÿ >> Ìîëåêóëÿðíàÿ ôèçèêà. Òåðìîäèíàìèêà. Ôèçèêà 10 êë. Ìÿêèøåâ |
|
Ãëàâà 5. Çàêîíû òåðìîäèíàìèêè § 5.10. Ñòàòèñòè÷åñêîå èñòîëêîâàíèå íåîáðàòèìîñòè ïðîöåññîâ â ïðèðîäå
Ïðîòèâîðå÷èå ìåæäó îáðàòèìîñòüþ ìèêðîïðîöåññîâ è íåîáðàòèìîñòüþ ìàêðîïðîöåññîâÍåîáðàòèìîñòü ìàêðîïðîöåññîâ âûãëÿäèò ïàðàäîêñàëüíî, ïîòîìó ÷òî âñå ìèêðîïðîöåññû îáðàòèìû âî âðåìåíè. Óðàâíåíèÿ äâèæåíèÿ îòäåëüíûõ ìèêðî÷àñòèö, êàê êëàññè÷åñêèå, òàê è êâàíòîâûå, îáðàòèìû âî âðåìåíè, èáî íèêàêèõ ñèë òðåíèÿ, çàâèñÿùèõ îò ñêîðîñòè, íå ñîäåðæàò. Ñèëà òðåíèÿ — ýòî ìàêðîñêîïè÷åñêèé ýôôåêò îò âçàèìîäåéñòâèÿ áîëüøîãî òåëà ñ îãðîìíûì êîëè÷åñòâîì ìîëåêóë îêðóæàþùåé ñðåäû, è ïîÿâëåíèå ýòîé ñèëû ñàìî íóæäàåòñÿ â îáúÿñíåíèè. Ñèëû, ïîñðåäñòâîì êîòîðûõ âçàèìîäåéñòâóþò ìèêðî÷àñòèöû (â ïåðâóþ î÷åðåäü ýòî ýëåêòðîìàãíèòíûå ñèëû), ïî âðåìåíè îáðàòèìû. Óðàâíåíèÿ Ìàêñâåëëà, îïèñûâàþùèå ýëåêòðîìàãíèòíûå âçàèìîäåéñòâèÿ, íå ìåíÿþòñÿ ïðè çàìåíå t íà —t. Åñëè âçÿòü ïðîñòåéøóþ ìîäåëü ãàçà — ñîâîêóïíîñòü óïðóãèõ øàðèêîâ, òî ãàç â öåëîì áóäåò îáíàðóæèâàòü îïðåäåëåííóþ íàïðàâëåííîñòü ïîâåäåíèÿ. Íàïðèìåð, áóäó÷è ñæàò â ïîëîâèíå ñîñóäà, îí íà÷íåò ðàñøèðÿòüñÿ è çàéìåò âåñü ñîñóä. Ñíîâà îí íå ñîæìåòñÿ. Óðàâíåíèÿ æå äâèæåíèÿ êàæäîé ìîëåêóëû-øàðèêà îáðàòèìû ïî âðåìåíè, òàê êàê ñîäåðæàò òîëüêî ñèëû, çàâèñÿùèå îò ðàññòîÿíèé è ïðîÿâëÿþùèåñÿ ïðè ñòîëêíîâåíèè ìîëåêóë. Òàêèì îáðàçîì, çàäà÷à ñîñòîèò íå òîëüêî â îáúÿñíåíèè ïðîèñõîæäåíèÿ íåîáðàòèìîñòè, íî è â ñîãëàñîâàíèè ôàêòà îáðàòèìîñòè ìèêðîïðîöåññîâ ñ ôàêòîì íåîáðàòèìîñòè ìàêðîïðîöåññîâ. Çàñëóãà â íàõîæäåíèè ïðèíöèïèàëüíî ïðàâèëüíîãî ïîäõîäà ê ðåøåíèþ ýòîé ïðîáëåìû ïðèíàäëåæèò Áîëüöìàíó. Ïðàâäà, íåêîòîðûå àñïåêòû ïðîáëåìû íåîáðàòèìîñòè äî ñèõ ïîð íå ïîëó÷èëè èñ÷åðïûâàþùåãî ðåøåíèÿ. Æèòåéñêèé ïðèìåð íåîáðàòèìîñòèÏðèâåäåì ïðîñòîé æèòåéñêèé ïðèìåð, èìåþùèé, íåñìîòðÿ íà ñâîþ òðèâèàëüíîñòü, ïðÿìîå îòíîøåíèå ê ðåøåíèþ ïðîáëåìû íåîáðàòèìîñòè Áîëüöìàíîì. Äîïóñòèì, ñ ïîíåäåëüíèêà âû ðåøèëè íà÷àòü íîâóþ æèçíü. Íåïðåìåííûì óñëîâèåì ýòîãî îáû÷íî ÿâëÿåòñÿ èäåàëüíûé èëè áëèçêèé ê èäåàëüíîìó ïîðÿäîê íà ïèñüìåííîì ñòîëå. Âû ðàññòàâëÿåòå âñå ïðåäìåòû è êíèãè íà ñòðîãî îïðåäåëåííûå ìåñòà, è ó âàñ íà ñòîëå öàðèò ñîñòîÿíèå, êîòîðîå ñ ïîëíûì ïðàâîì ìîæíî íàçâàòü ñîñòîÿíèåì «ïîðÿäîê». ×òî ïðîèçîéäåò ñ òå÷åíèåì âðåìåíè, õîðîøî èçâåñòíî. Âû çàáûâàåòå ñòàâèòü ïðåäìåòû è êíèãè íà ñòðîãî îïðåäåëåííûå ìåñòà, è íà ñòîëå âîöàðÿåòñÿ ñîñòîÿíèå õàîñà. Íåòðóäíî ïîíÿòü, ñ ÷åì ýòî ñâÿçàíî. Ñîñòîÿíèþ «ïîðÿäîê» îòâå÷àåò òîëüêî îäíî îïðåäåëåííîå ðàñïîëîæåíèå ïðåäìåòîâ, à ñîñòîÿíèþ «õàîñ» — íåñðàâíèìî áîëüøåå ÷èñëî. È êàê òîëüêî ïðåäìåòû íà÷íóò çàíèìàòü ïðîèçâîëüíûå ïîëîæåíèÿ, íå êîíòðîëèðóåìûå âàøåé âîëåé, íà ñòîëå ñàìî ñîáîé âîçíèêàåò áîëåå âåðîÿòíîå ñîñòîÿíèå õàîñà, ðåàëèçóåìîå ãîðàçäî áîëüøèì ÷èñëîì ðàñïðåäåëåíèé ïðåäìåòîâ íà ñòîëå.  ïðèíöèïå èìåííî òàêèå ñîîáðàæåíèÿ áûëè âûñêàçàíû Áîëüöìàíîì äëÿ îáúÿñíåíèÿ íåîáðàòèìîñòè ìàêðîïðîöåññîâ. Ìèêðîñêîïè÷åñêîå è ìàêðîñêîïè÷åñêîå ñîñòîÿíèÿÍóæíî ïðåæäå âñåãî ðàçëè÷àòü ìàêðîñêîïè÷åñêîå ñîñòîÿíèå ñèñòåìû è åå ìèêðîñêîïè÷åñêîå ñîñòîÿíèå. Ìàêðîñêîïè÷åñêîå ñîñòîÿíèå õàðàêòåðèçóåòñÿ íåìíîãèì ÷èñëîì òåðìîäèíàìè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ (äàâëåíèåì, îáúåìîì, òåìïåðàòóðîé è äð.), à òàêæå òàêèìè ìåõàíè÷åñêèìè âåëè÷èíàìè, êàê ïîëîæåíèå öåíòðà ìàññ, ñêîðîñòü öåíòðà ìàññ è äð. Èìåííî ìàêðîñêîïè÷åñêèå âåëè÷èíû, õàðàêòåðèçóþùèå ñîñòîÿíèå â öåëîì, èìåþò ïðàêòè÷åñêîå çíà÷åíèå. Ìèêðîñêîïè÷åñêîå ñîñòîÿíèå õàðàêòåðèçóåòñÿ â îáùåì ñëó÷àå çàäàíèåì êîîðäèíàò è ñêîðîñòåé (èëè èìïóëüñîâ) âñåõ ÷àñòèö, ñîñòàâëÿþùèõ ñèñòåìó (ìàêðîñêîïè÷åñêîå òåëî). Ýòî íåñðàâíåííî áîëåå äåòàëüíàÿ õàðàêòåðèñòèêà ñèñòåìû, çíàíèå êîòîðîé ñîâñåì íå òðåáóåòñÿ äëÿ îïèñàíèÿ ïðîöåññîâ ñ ìàêðîñêîïè÷åñêèìè òåëàìè. Áîëåå òîãî, çíàíèå ìèêðîñîñòîÿíèÿ ôàêòè÷åñêè íåäîñòèæèìî èç-çà îãðîìíîãî ÷èñëà ÷àñòèö, ñëàãàþùèõ ìàêðîòåëà.  ïðèâåäåííîì âûøå æèòåéñêîì ïðèìåðå ñ ïðåäìåòàìè íà ñòîëå ìîæíî ââåñòè ïîíÿòèÿ ìèêðî- è ìàêðîñîñòîÿíèé. Ìèêðîñîñòîÿíèþ îòâå÷àåò êàêîå-òî îäíî îïðåäåëåííîå ðàñïîëîæåíèå ïðåäìåòîâ, à ìàêðîñîñòîÿíèþ — îöåíêà ñèòóàöèè â öåëîì: ëèáî «ïîðÿäîê», ëèáî «õàîñ». Âïîëíå î÷åâèäíî, ÷òî îïðåäåëåííîå ìàêðîñîñòîÿíèå ìîæåò áûòü ðåàëèçîâàíî îãðîìíûì ÷èñëîì ðàçëè÷íûõ ìèêðîñîñòîÿíèé. Òàê, íàïðèìåð, ïåðåõîä îäíîé ìîëåêóëû èç äàííîé òî÷êè ïðîñòðàíñòâà â äðóãóþ òî÷êó èëè èçìåíåíèå åå ñêîðîñòè â ðåçóëüòàòå ñòîëêíîâåíèÿ èçìåíÿþò ìèêðîñîñòîÿíèå ñèñòåìû, íî, êîíå÷íî, íå ìåíÿþò òåðìîäèíàìè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ è, ñëåäîâàòåëüíî, ìàêðîñîñòîÿíèÿ ñèñòåìû. Òåïåðü ââåäåì ãèïîòåçó, íå ñòîëü î÷åâèäíóþ, êàê ïðåäøåñòâóþùèå óòâåðæäåíèÿ: âñå ìèêðîñêîïè÷åñêèå ñîñòîÿíèÿ çàìêíóòîé ñèñòåìû ðàâíîâåðîÿòíû, íè îäíî èç íèõ íå âûäåëåíî, íå çàíèìàåò ïðåèìóùåñòâåííîãî ïîëîæåíèÿ. Ýòî ïðåäïîëîæåíèå ôàêòè÷åñêè ýêâèâàëåíòíî ãèïîòåçå î õàîòè÷åñêîì õàðàêòåðå òåïëîâîãî äâèæåíèÿ ìîëåêóë. Âåðîÿòíîñòü ñîñòîÿíèÿÑ òå÷åíèåì âðåìåíè ìèêðîñîñòîÿíèÿ íåïðåðûâíî ñìåíÿþò äðóã äðóãà. Âðåìÿ ïðåáûâàíèÿ ñèñòåìû â îïðåäåëåííîì ìàêðîñêîïè÷åñêîì ñîñòîÿíèè ïðîïîðöèîíàëüíî, î÷åâèäíî, ÷èñëó ìèêðîñîñòîÿíèé Z1, êîòîðûå ðåàëèçóþò äàííîå ñîñòîÿíèå. Åñëè ÷åðåç Z îáîçíà÷èòü ïîëíîå ÷èñëî ìèêðîñîñòîÿíèé ñèñòåìû, òî âåðîÿòíîñòü ñîñòîÿíèÿ W îïðåäåëèòñÿ òàê:
Âåðîÿòíîñòü ìàêðîñêîïè÷åñêîãî ñîñòîÿíèÿ ðàâíà îòíîøåíèþ ÷èñëà ìèêðîñîñòîÿíèé, ðåàëèçóþùèõ ìàêðîñîñòîÿíèå, ê ïîëíîìó ÷èñëó âîçìîæíûõ ìèêðîñîñòîÿíèé. Ïåðåõîä ñèñòåìû ê íàèáîëåå âåðîÿòíîìó ñîñòîÿíèþ×åì áîëüøå Z1, òåì áîëüøå âåðîÿòíîñòü äàííîãî ìàêðîñîñòîÿíèÿ è òåì áîëüøåå âðåìÿ ñèñòåìà áóäåò íàõîäèòüñÿ â ýòîì ñîñòîÿíèè. Òàêèì îáðàçîì, ýâîëþöèÿ ñèñòåìû ïðîèñõîäèò â íàïðàâëåíèè ïåðåõîäà îò ìàëîâåðîÿòíûõ ñîñòîÿíèé ê ñîñòîÿíèÿì áîëåå âåðîÿòíûì. Èìåííî ñ ýòèì ñâÿçàíà íåîáðàòèìîñòü òå÷åíèÿ ìàêðîñêîïè÷åñêèõ ïðîöåññîâ, íåñìîòðÿ íà îáðàòèìîñòü çàêîíîâ, óïðàâëÿþùèõ äâèæåíèåì îòäåëüíûõ ÷àñòèö. Îáðàòíûé ïðîöåññ íå ÿâëÿåòñÿ íåâîçìîæíûì, îí ïðîñòî ìàëîâåðîÿòåí. Òàê êàê âñå ìèêðîñîñòîÿíèÿ ðàâíîâåðîÿòíû, òî â ïðèíöèïå ìîæåò âîçíèêíóòü ìàêðîñîñòîÿíèå, ðåàëèçóåìîå ìàëûì ÷èñëîì ìèêðîñîñòîÿíèé, íî ýòî ÷ðåçâû÷àéíî ðåäêîå ñîáûòèå. Ìû íå äîëæíû óäèâëÿòüñÿ, åñëè íèêîãäà íå óâèäèì èõ. Íàèáîëåå âåðîÿòíî ñîñòîÿíèå òåïëîâîãî ðàâíîâåñèÿ. Åìó îòâå÷àåò íàèáîëüøåå ÷èñëî ìèêðîñîñòîÿíèé. Ëåãêî ïîíÿòü, ïî÷åìó ìåõàíè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ ñàìîïðîèçâîëüíî ïåðåõîäèò âî âíóòðåííþþ. Ìåõàíè÷åñêîå äâèæåíèå òåëà (èëè ñèñòåìû) — ýòî óïîðÿäî÷åííîå äâèæåíèå, êîãäà âñå ÷àñòè òåëà ïåðåìåùàþòñÿ èäåíòè÷íî èëè ñõîäíûì îáðàçîì. Óïîðÿäî÷åííîìó äâèæåíèþ îòâå÷àåò íåáîëüøîå ÷èñëî ìèêðîñîñòîÿíèé ïî ñðàâíåíèþ ñ áåñïîðÿäî÷íûì òåïëîâûì äâèæåíèåì. Ïîýòîìó ìàëîâåðîÿòíîå ñîñòîÿíèå óïîðÿäî÷åííîãî ìåõàíè÷åñêîãî äâèæåíèÿ ñàìî ñîáîé ïðåâðàùàåòñÿ â áåñïîðÿäî÷íîå òåïëîâîå äâèæåíèå, ðåàëèçóåìîå ãîðàçäî áîëüøèì ÷èñëîì ìèêðîñîñòîÿíèé. Ìåíåå íàãëÿäåí ïðîöåññ ïåðåõîäà òåïëîòû îò ãîðÿ÷åãî òåëà ê õîëîäíîìó. Íî è çäåñü ñóùíîñòü íåîáðàòèìîñòè òà æå.  íà÷àëå òåïëîîáìåíà åñòü äâå ãðóïïû ìîëåêóë: ìîëåêóëû ñ áîëåå âûñîêîé ñðåäíåé êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèåé ó ãîðÿ÷åãî òåëà è ìîëåêóëû ñ íèçêîé ñðåäíåé êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèåé ó õîëîäíîãî. Ïðè óñòàíîâëåíèè òåïëîâîãî ðàâíîâåñèÿ â êîíöå ïðîöåññà âñå ìîëåêóëû îêàæóòñÿ ïðèíàäëåæàùèìè ê îäíîé ãðóïïå ìîëåêóë ñ îäíîé è òîé æå ñðåäíåé êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèåé. Áîëåå óïîðÿäî÷åííîå ñîñòîÿíèå ñ ðàçäåëåíèåì ìîëåêóë íà äâå ãðóïïû ïåðåñòàåò ñóùåñòâîâàòü. Èòàê, íåîáðàòèìîñòü ïðîöåññîâ ñâÿçàíà ñ òåì, ÷òî íåðàâíîâåñíûå ìàêðîñêîïè÷åñêèå ñîñòîÿíèÿ ìàëîâåðîÿòíû. Ýòè ñîñòîÿíèÿ âîçíèêàþò ëèáî åñòåñòâåííûì ïóòåì â ðåçóëüòàòå ýâîëþöèè Âñåëåííîé, ëèáî æå ñîçäàþòñÿ èñêóññòâåííî ÷åëîâåêîì. Íàïðèìåð, ìû ïîëó÷àåì ñèëüíî íåðàâíîâåñíûå ñîñòîÿíèÿ, íàãðåâàÿ ðàáî÷åå òåëî òåïëîâîãî äâèãàòåëÿ äî òåìïåðàòóð, íà ñîòíè ãðàäóñîâ ïðåâûøàþùèõ òåìïåðàòóðó îêðóæàþùåé ñðåäû.
|
|
|