Номер 4, страница 291 - гдз по физике 10 класс учебник Касьянов

Вопросы. Параграф 60. Второй закон термодинамики. 10. Термодинамика. Молекулярная физика - номер 4, страница 291.

Условие.

4. В чём заключается статистическая интерпретация второго закона термодинамики?

Решение.

4. В чём заключается статистическая интерпретация второго закона термодинамики?

Статистическая интерпретация второго закона термодинамики, разработанная преимущественно Людвигом Больцманом, объясняет это фундаментальное правило природы с точки зрения теории вероятностей и поведения огромного числа частиц (атомов и молекул), из которых состоит система.

Классическая термодинамика утверждает, что в изолированных системах энтропия (мера беспорядка) не может убывать; она либо возрастает, либо остается постоянной. Это определяет направление самопроизвольных процессов: тепло передается от горячего тела к холодному, газы расширяются, занимая весь доступный объем, и т.д.

Статистическая физика дает этому следующее объяснение:

1. Макро- и микросостояния. Состояние системы можно описать макроскопическими параметрами (давление, объем, температура) — это макросостояние. Однако это одно макросостояние может быть реализовано огромным количеством различных комбинаций положений и скоростей отдельных частиц — каждое такое конкретное распределение называется микросостоянием.

2. Термодинамическая вероятность. Число микросостояний $W$, соответствующих данному макросостоянию, называется его термодинамической вероятностью. Чем более беспорядочно состояние системы, тем большим числом способов оно может быть реализовано, и тем выше его термодинамическая вероятность.

3. Формула Больцмана. Связь между энтропией $S$ и термодинамической вероятностью $W$ устанавливается знаменитой формулой Больцмана: $S = k \ln W$, где $k$ — постоянная Больцмана.

Таким образом, второй закон термодинамики получает вероятностную трактовку: любая изолированная система стремится перейти в наиболее вероятное состояние, то есть в макросостояние с максимальной термодинамической вероятностью (и, следовательно, максимальной энтропией).

Переход из упорядоченного состояния (маловероятного) в хаотическое (более вероятное) происходит не потому, что это предписано неким абсолютным запретом, а потому, что обратный процесс — самопроизвольный переход от хаоса к порядку — является не невозможным, а лишь исчезающе маловероятным для макроскопических систем.

Ответ: Статистическая интерпретация заключается в том, что второй закон термодинамики не является абсолютным запретом, а носит вероятностный характер. Он гласит, что все самопроизвольные процессы в изолированной системе идут в направлении перехода из менее вероятных состояний в более вероятные, которые могут быть реализованы бóльшим числом микроскопических способов. Состояние термодинамического равновесия соответствует макросостоянию с максимальной энтропией, потому что оно является самым вероятным.

5. Почему дым «тает» в воздухе?

Выражение «тает в воздухе» является образным описанием физического процесса, называемого диффузией. Дым не переходит из твердого состояния в жидкое, а рассеивается в окружающем пространстве.

Дым представляет собой взвесь мельчайших твердых частиц (сажи, пепла) и капелек жидкости в газе (воздухе). Все эти частицы, как и молекулы газов, составляющих воздух (азота, кислорода и др.), находятся в непрерывном хаотическом тепловом движении. Частицы дыма испытывают постоянные столкновения с молекулами воздуха, что заставляет их двигаться по случайным траекториям (это явление известно как броуновское движение).

Изначально частицы дыма сконцентрированы в небольшом объеме, образуя видимое облако. Это состояние является относительно упорядоченным (низкая энтропия) и маловероятным с точки зрения статистики. Из-за хаотического движения и столкновений частицы дыма начинают постепенно распространяться из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией, то есть в окружающий воздух. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока частицы дыма не распределятся по всему доступному объему более или менее равномерно.

Этот процесс является наглядной демонстрацией второго закона термодинамики: система «дым + воздух» самопроизвольно переходит из менее вероятного (упорядоченного) состояния в наиболее вероятное (хаотическое), которому соответствует максимальная энтропия. Когда концентрация частиц дыма падает ниже определенного порога, они перестают быть видимыми для человеческого глаза, и нам кажется, что дым «растаял».

Кроме диффузии, рассеиванию дыма также способствуют конвекционные потоки воздуха (ветер, сквозняки), которые значительно ускоряют процесс перемешивания.

Ответ: Дым «тает» (рассеивается) в воздухе из-за процесса диффузии, вызванного хаотическим тепловым движением его частиц и молекул воздуха. Система переходит из упорядоченного состояния (высокая концентрация частиц дыма в одном месте) в более вероятное неупорядоченное состояние (равномерное распределение частиц по всему объему), что соответствует увеличению энтропии согласно второму закону термодинамики.