Молекулярно-статистическая интерпретация энтропии

Осознание молекулярно-статистического характера термодинамических процессов принадлежит австрийскому физику Людвигу Больцману (1844-1906). Рассмотрим идеи Больцмана на примере:

Представим себе сосуд, разделенный на две части, в который случайностным образом попадают молекулы. Вероятность пребывания отдельной молекулы в половине объема равна одной второй (1/2). Вероятность попадания в одну и ту же половину объема двух молекул подряд - одна четвертая (1/4), а для энного числа молекул - соответственно одна вторая в энной степени (1/2ⁿ⁾. Если учесть, что число молекул в любом макротеле астрономически велико, то следует сделать вывод, что наиболее вероятным состоянием макротела будет равномерное распределение молекул по занимаемому телом объему [92]. В нашем примере это - приблизительно равное количество молекул в обеих половинах сосуда. Рассуждение будет верно и для энергетических характеристик тела.

Произведя мгновенную съемку расположения молекул в сосуде, мы получим группу микросостояний данного макротела. Можно уподобить каждую из таких фотографий весам: чем более вероятное состояние, тем больше у нас его снимков, тем больше «вес» этого состояния. Число возможных микросостояний макротела называют статистическим весом тела. Предоставленное само себе изолированное тело стремится перейти в состояние с максимальным статистическим весом ( W). Это состояние мы можем назвать хаосом.

Энтропию можно считать количественной мерой беспорядка (симметрии) системы. Энтропия еще менее наглядна, чем температура. Эта величина всегда положительная, поскольку ни одно тело в природе не может быть идеально упорядоченным. Фактически энтропия показывает, насколько тело отклонилось от состояния полной упорядоченности. Вследствие этого энтропия характеризует направление эволюции термодинамической системы, предоставленной самой себе. Естественным состоянием для такой системы является состояние максимальной энтропии, и единственным направлением его эволюции выступает увеличение энтропии[93]. Система, достигшая состояния максимальной энтропии, не может совершить внешнюю механическую работу. Чтобы эту работу получить, необходимо повысить негэнтропию системы или, переходя на язык теории вероятностей, внести в систему информацию.

Слово «негэнтропия» обозначает отрицательную энтропию, энтропию со знаком – «минус». Дело в том, что по своему физическому смыслу энтропия может быть только положительной. Однако, в природе возможны процессы в которых энтропия не увеличивается. Простейшим примером такого процесса может выступить тело, температура которого поддерживается одинаковой. Если применить к анализу такого процесса второе начало термодинамики, то это применение столкнется с необходимостью объяснить отсутствие роста энтропии. Негэнтропия, как отрицательная величина призвана компенсировать отсутствие роста энтропии. Т.о. в случае динамически равновесных термодинамических систем говорят, что энтропия выводится во внешнюю среду, а оттуда поступает негэнтропия.

Термин «информация» в термодинамике обозначает величину обратную энтропии. Если энтропия обозначает степень симметричности системы, то информация, напротив: степень асимметрии.

Понятие закрытой (изолированной) системы является сильной идеализацией. Реальные системы в мире не бывают закрытыми. Это обозначает, что реальные системы постоянно обмениваются с другими энергией и информацией. Производимая в таких системах энтропия выводится во внешнюю среду, откуда поступает новая порция энергии, расходуемая на поддержание равновесия в системе.

Таким образом, реальные системы находятся в состоянии динамического равновесия. Динамическое равновесие достигается посредством постоянного и не прекращаемого обмена с другими системами (средой) веществом и информацией. Новая термодинамика (термодинамика XX столетия) перешла к анализу термодинамических процессов в открытых системах. Это привело к вхождению в науку новых идей и понятий, в том числе и понимания фундаментальной связи энтропии и информации.

Классическая термодинамика по-прежнему остается одной из наиболее применимых и глубоких физических теорий. Ее несомненное достоинство заключается в том, что она позволяет рассматривать многие общие свойства систем самого различного качества, включая электрические и магнитные поля, газовые и конденсированные среды и т.п., не вникая во внутреннюю структуру этих систем. Выводы классической термодинамики широко вошли в химию, экологию, биологию и многие другие области прикладного естествознания.

Литература основная:

Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учебник.- Изд. 3-е, перераб. и доп.- М.: Альфа-М; ИНФРА-М, 2007.-704с.

Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учебник.- Изд.2-е, перераб. и доп. – М.: Альфа-М; ИНФРА-М, 2005.- 662с.

Горбачев В.В. Концепции современного естествознания: Учеб. Пособие для студентов вузов/ В.В. Горбачев.- М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003.- 592с.: ил.

Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов.- М.: Культура и спорт, ЮНИТИ, 1997.

Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов.- М.: Культура и спорт, ЮНИТИ, 1997.- 520с.

Концепции современного естествознания: Учебник для вузов/ В.Н. Лавриненко, В.П. Ратников, В.Ф. Голубь и др; Под ред. проф. В.Н. Лавриненко, проф. В.П. Ратникова.- М.: Культура и спорт, ЮНИТИ, 1997.- 271с.

Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учеб. Пособие.- М.: Гардарики, 1999.-476с.

Литература дополнительная:

Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. Учебник под ред акад РАН М.Ф. Жукова. – Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА», 1997.- 832с.

Ноздрев В.Ф. Курс термодинамики. /Изд. 2-е, испр./В.Ф.Ноздрев- М.: Просвещение, 1967.-241с

Могилевский Б.М. Природа глазами физика. – М.: Едиториал УРСС, 2004. – 272с.