Мир дискретных объектов. Физика частиц

По современным представлениям материя существует в двух формах: вещество и поле. Вещество имеет массу покоя, поле не имеет массы покоя.

Вещество может существовать в различных состояниях: твердом, жидком, газообразном, плазме, нейтронном. Каждое состояние вещества характеризуется определенными параметрами: давлением, плотностью, температурой, энтропией и др. В обычной природе вещество находится в твердом, жидком или газообразном состоянии. Состояние плазмы и нейтронное состояние вещества чаще всего встречаются в космосе и в звездах.

Вещество в твердом, жидком и газообразном состоянии состоит из атомов или молекул. Молекулы, в свою очередь, состоят из атомов. Атомы - это мельчайшие неделимые частицы вещества, сохраняющие все физические и химические свойства данного вещества. Состояние физической системы (любого тела) может быть представлено двумя способами:

I) Можно описать движение всех атомов или молекул тела на основе законов механики и получить конечное состояние объекта. Поисками закономерностей движения больших ансамблей частиц занимается статистическая физика.

2) Применяя общие законы физики, можно получить функцию движения параметров тела от времени. Этот подход реализует классическая физика.

К числу основных законов природы относятся законы сохранения импульса, энергии, момента импульса, зарядов различного тела, а также законы Ньютона.

Для описания механического движения материальных тел при небольших скоростях движения применяют законы Ньютона:

Первый закон Ньютона: Тела находятся в покое или движутся прямолинейно и равномерно, пока воздействие со стороны других тел не заставит их изменить это состояние

Второй закон Ньютона: Сила, действующая на тело, пропорциональна скорости изменения импульса тела:

,

где - импульс тела,; ; - время, с; - сила, Н.

Третий закон Ньютона: Тела действуют друг на друга с силами равными по модулю и противоположными по знаку:

и .

На основании законов Ньютона можно, зная силы, действующие на тело, и начальные условия, рассчитать дальнейшее движение тела, то есть скорость и положение в пространстве в любой момент времени. Однако большие ансамбли частиц невозможно описать с помощью законов Ньютона. Даже небольшое тело состоит из очень большого (примерно 10²⁶) числа молекул. Столкновения молекул носят вероятностный характер. Кроме этого, оказалось, что для микрочастиц невозможно одновременно абсолютно точно определить скорость частицы и ее координату. Поэтому область применения классических законов механики ограничена.

Кроме механического движения, в большинстве реальных объектов происходят и другие изменения. Чаще всего встречаются процессы, связанные с изменением внутреннего строения и параметров внутреннего движения молекул вещества. При этом могут изменяться давление, температура, внутренняя энергия и другие параметры вещества, а также возможны фазовые переходы вещества (твердое, жидкое состояние, газ, плазма). Возможны два способа изменения состояния и параметров вещества любой системы: путем совершения работы и путем теплообмена

Известно, что в процессе превращения энергии выполняется закон сохранения энергии. Поскольку тепловое движение тоже механическое (только не направленное, а хаотичное), то при всех превращениях должен выполняться закон сохранения энергии не только внешних, но и внутренних движений. В этом заключается качественная формулировка закона сохранения энергии для термодинамической системы - первое начало термодинамики.

Количественная его формулировка: количество теплоты (), сообщенное телу, идет на увеличение его внутренней энергии () и на совершение телом работы (), то есть:

.

Из первого начала термодинамики следует важный вывод: невозможен вечный двигатель первого рода, т.е. такой двигатель, который совершал бы работу "из ничего", без внешнего источника энергии.

При наличии внешнего источника часть энергии неизбежно переходит в энергию теплового, хаотического движения молекул, что и является причиной невозможности полного превращения энергии внешнего источника в полезную работу.

Многочисленные опыты показывают, что все тепловые процессы необратимы в отличие от механического движения. Если реализуется какой-либо термодинамический процесс, то обратный процесс, при котором система проходит те же тепловые состояния, но только в обратном направлении, практически невозможен. Другими словами, термодинамические процессы необратимы.

Приведем два характерных примера необратимых процессов. Если привести в соприкосновение два тела с различной температурой, то более нагретое тело будет отдавать тепло менее нагретому. Обратный процесс - самопроизвольный переход тепла от менее нагретого тела к более нагретому - никогда не произойдет. Столь же необратимым является и другой процесс - расширение газа в пустоту. Газ, находящийся в части сосуда, отделенной от другой части перегородкой, заполняет весь сосуд после удаления перегородки. Газ никогда без постороннего вмешательства не соберется самопроизвольно в той же части сосуда, где он находился первоначально.

Всякая предоставленная самой себе система стремится перейти в состояние термодинамического равновесия, в котором тела покоятся друг относительно друга, обладая одинаковыми температурами и давлением. Достигнув этого состояния, система сама по себе из него не выходит. Значит, все термодинамические процессы, приближающиеся к тепловому равновесию, необратимы. Необратимы и все механические процессы, сопровождающиеся трением между телами. Трение вызывает замедление движения тел, при котором кинетическая энергия переходит в тепло. Замедление эквивалентно приближению к состоянию равновесия, при котором движение отсутствует.

В системе тел, находящихся в термодинамическом равновесии, без внешнего вмешательства невозможны никакие реальные процессы. Следовательно, с помощью тел, находящихся в термодинамическом равновесии, невозможно совершить никакой работы, так как работа связана с механическим движением, т.е. с переходом тепловой энергии в кинетическую.

Утверждение о невозможности получения работы за счет энергии тел, находящихся в термодинамическом равновесии, составляет сущность второго начала термодинамики.

Окружающая нас среда обладает значительными запасами тепловой энергии. Двигатель, работающий только за счет энергии находящихся в тепловом равновесии тел, был бы для практики вечным двигателем. Второе начало термодинамики исключает возможность создания такого вечного двигателя второго рода.

Необратимость тепловых процессов имеет вероятностный характер. Самопроизвольный переход тела из равновесного состояния в неравновесное не невозможен, а лишь подавляюще маловероятен. В конечном результате необратимость тепловых процессов обусловливается колоссальностью числа молекул, из которых состоит тело.

Молекулы газа стремятся к наиболее вероятному состоянию, т.е. состоянию с беспорядочным распределением молекул, при котором примерно одинаковое число молекул движется вверх и вниз, вправо и влево, при котором в каждом объеме находится примерно одинаковое число молекул, одинаковая доля быстрых и медленных молекул в верхней и нижней частях какого-либо сосуда. Любое отклонение от такого беспорядка, хаоса, т.е. от равномерного и беспорядочного перемешивания молекул по местам и скоростям, связано с уменьшением вероятности, или представляет собой менее вероятное событие. Напротив, явления, связанные с перемешиванием, с созданием хаоса из порядка, увеличивают вероятность состояния. Только при внешнем воздействии возможно рождение порядка из хаоса, при котором порядок вытесняет хаос. В качестве примеров, демонстрирующих порядок, можно привести созданные природой минералы, построенные человеком большие и малые сооружения или просто радующие глаз своеобразные фигуры.

Количественной характеристикой теплового состояния тела является число микроскопических способов, которыми это состояние может быть осуществлено. Это число называется статистическим весом состояния. Обозначим его буквой Г. Тело, предоставленное самому себе, стремится перейти в состояние с большим статистическим весом. Принято пользоваться не самим числом Г, а его логарифмом, который еще умножается на постоянную Больцмана (k). Определенную таким образом величину:

S=k lnГ,

называют энтропией тела. Нетрудно убедиться в том, что энтропия сложной системы равна сумме энтропий ее частей.

Закон, определяющий направление тепловых процессов, можно сформулировать как закон возрастания энтропии: для всех происходящих в замкнутой системе тепловых процессов энтропия системы возрастает; максимально возможное значение энтропии замкнутой системы достигается в тепловом равновесии:

DS ³ 0.

Данное утверждение принято считать количественной формулировкой второго закона термодинамики, открытого Р.Ю. Клаузиусом (его молекулярно-кинетическое истолкование дано Л. Больцманом).

Идеальному случаю - полностью обратимому процессу замкнутой системы - соответствует неизменяющаяся энтропия. Все естественные процессы происходят так, что вероятность состояния возрастает, что означает переход от порядка к хаосу. Значит, энтропия характеризует меру хаоса, которая для всех естественных процессов возрастает. В этой связи закон о невозможности вечного двигателя второго рода, закон о стремлении тел к равновесному состоянию получает свое объяснение. Почему механическое движение переходит в тепловое? Да потому, что механическое движение упорядочено, а тепловое беспорядочно, хаотично.

В середине XIX в. активно обсуждалась проблема тепловой смерти Вселенной. Рассматривая Вселенную как замкнутую систему и применяя к ней второе начало термодинамики, Р.Ю. Клаузиус свел его содержание к утверждению, что энтропия Вселенной должна достигнуть своего максимума. Это означает, что все формы движения со временем должны перейти в тепловые. Переход же теплоты от горячих тел к холодным приведет к тому, что температура всех тел во Вселенной сравняется, т.е. наступит полное тепловое равновесие и все процессы во Вселенной прекратятся - наступит тепловая смерть Вселенной. Ошибочность вывода о тепловой смерти заключается в том, что бессмысленно применять второе начало термодинамики к незамкнутым системам, например, к такой безграничной и бесконечно развивающейся системе, как Вселенная.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

1) Каковы физические (агрегатные) состояния вещества?

2) Какими параметрами описывается состояние вещества?

3) Каковы основные законы сохранения в природе?

4) Как формулируются законы механического движения (законы динамики Ньютона)?

5) Какими способами можно изменить состояние вещества любой системы?

6) В чём заключается закон сохранения энергии термодинамической системы?

7) Какой процесс называется обратимым? Необратимым?

8) Какое состояние называется термодинамическим равновесием?

9) Какова сущность второго начала термодинамики?

10) Какая величина называется энтропией системы тел?

11) О чём говорит закон возрастания энтропии?

12) Чему равно изменение энтропии обратимого процесса в замкнутой системе?

13) В каком направлении происходят все естественные процессы?

14) Почему невозможен вечный двигатель первого рода?

15) Почему невозможен вечный двигатель второго рода?

16) Почему механическое движение переходит в тепловое?

17) Почему невозможна " тепловая смерть" Вселенной?

Дата добавления: 2015-08-03