Номер 3, страница 287 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Буховцев

Вопросы к параграфу. Параграф 87. Второй закон термодинамики. Глава 13. Основы термодинамики - номер 3, страница 287.

Условие.

Решение.

Решение 3.

В основе ответа на этот вопрос лежат представления статистической физики, которая описывает поведение систем, состоящих из огромного числа частиц (например, молекул газа).

Состояние такой системы можно описать на двух уровнях:

• Микросостояние — это детальное описание состояния каждой отдельной частицы в системе в данный момент времени (ее координаты и скорость).
• Макросостояние — это состояние системы, описываемое макроскопическими параметрами, такими как температура, давление и объем, которые являются результатом усреднения по всем частицам.

Ключевым моментом является то, что одно и то же макросостояние (например, газ при комнатной температуре и атмосферном давлении в комнате) может быть реализовано гигантским числом различных микросостояний.

Наиболее вероятное состояние — это такое макросостояние, которому соответствует максимальное число микросостояний. Иными словами, это состояние, которое может быть осуществлено наибольшим количеством способов. Из-за хаотического и непрерывного движения молекул система естественным образом стремится именно к такому состоянию. Представим себе газ в сосуде. Состояние, при котором все молекулы собрались в одном углу, теоретически возможно, но ему соответствует крайне малое число микросостояний. Напротив, состоянию, когда молекулы равномерно распределены по всему объему, соответствует практически невообразимо большее число микросостояний. Поэтому система всегда будет стремиться к равномерному распределению.

Равновесное состояние — это состояние, в котором макроскопические параметры системы (температура, давление, плотность) остаются постоянными во времени и одинаковыми во всех точках системы. Это устойчивое состояние, в которое приходит любая изолированная система с течением времени. Например, если в одной части сосуда газ горячий, а в другой — холодный, то через некоторое время из-за столкновений молекул температура выровняется по всему объему, и система придет в равновесие.

Связь между этими двумя понятиями устанавливается через энтропию. Согласно статистическому определению Больцмана, энтропия $S$ системы связана с числом доступных ей микросостояний $\Omega$ (термодинамической вероятностью) соотношением: $S = k \ln{\Omega}$ где $k$ — постоянная Больцмана.

Второй закон термодинамики утверждает, что изолированная система самопроизвольно эволюционирует в сторону состояния с максимальной энтропией. Максимум энтропии $S$ достигается при максимальном значении числа микросостояний $\Omega$. Таким образом, равновесное состояние — это и есть наиболее вероятное состояние системы.

Для газа это означает состояние, в котором его молекулы максимально хаотично и равномерно распределены по всему предоставленному объему, а их кинетическая энергия (т.е. температура) также равномерно распределена по всей системе.

Ответ: Наиболее вероятным состоянием газа, которое соответствует равновесному состоянию, является состояние с равномерным распределением концентрации молекул и температуры по всему занимаемому объему.