Номер 4, страница 177 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Синяков

Глава 5. Законы термодинамики. Параграф 5.10. Статистическое истолкование необратимости процессов в природе - номер 4, страница 177.

Условие.

4. Сформулируйте границы применимости второго закона термодинамики.

Решение.

Второй закон термодинамики, являясь одним из фундаментальных законов физики, имеет свои границы применимости, которые определяются основными положениями, лежащими в его основе.

Основная граница связана с тем, что второй закон является статистическим. Он строго применим к макроскопическим системам, состоящим из огромного числа частиц (например, порядка числа Авогадро $N_A \approx 6.022 \times 10^{23}$ моль^-1). Для таких систем вероятность самопроизвольного перехода в более упорядоченное состояние (с меньшей энтропией) пренебрежимо мала. Для систем, состоящих из малого числа частиц (микро- или мезоскопических систем), возможны флуктуации, при которых энтропия может временно уменьшаться. Это не является нарушением закона, а лишь демонстрирует его вероятностную природу.

Классическая формулировка второго закона о неубывании энтропии ($ \Delta S \ge 0 $) относится строго к изолированным системам, то есть системам, не обменивающимся ни энергией, ни веществом с окружающей средой. В реальном мире абсолютно изолированных систем не существует. Для неизолированных систем (закрытых, обменивающихся энергией, и открытых, обменивающихся энергией и веществом) их собственная энтропия может уменьшаться. Например, при кристаллизации жидкости или в процессе жизнедеятельности биологических организмов порядок внутри системы возрастает, а энтропия уменьшается. Однако это уменьшение всегда компенсируется большим увеличением энтропии в окружающей среде. Таким образом, для совокупности "система + окружающая среда" второй закон всегда выполняется.

Второй закон термодинамики в его первоначальной форме был разработан для систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия или совершающих квазиравновесные (бесконечно медленные) процессы. Для систем, находящихся далеко от равновесия, особенно в открытых системах, возможны явления самоорганизации и возникновения сложных упорядоченных структур (так называемых диссипативных структур). Это не противоречит второму закону, так как создание порядка внутри такой системы всегда сопровождается еще большим производством энтропии и "сбросом" ее в окружающую среду.

Применение второго закона к системам с сильными гравитационными полями, например, ко Вселенной в целом, является предметом исследований и дискуссий. Гравитационное сжатие вещества приводит к образованию упорядоченных структур (звезд, галактик), что на первый взгляд противоречит идее роста беспорядка. Однако считается, что полное описание энтропии Вселенной должно включать энтропию гравитационного поля и энтропию черных дыр, и в этом случае общий рост энтропии сохраняется.

Ответ: Границы применимости второго закона термодинамики определяются следующими основными положениями: 1) он является статистическим и строго выполняется только для макроскопических систем; 2) его формулировка о неубывании энтропии ($ \Delta S \ge 0 $) справедлива только для изолированных систем (либо для замкнутой системы "объект + окружающая среда"); 3) классическая термодинамика описывает в основном равновесные состояния и процессы. Применение закона к микросистемам, открытым системам, системам, далеким от равновесия, и космологическим объектам требует дополнительных уточнений и обобщений.