Необратимость процессов в природе.

Физики не успокаиваются, пока у них есть неразрешимые вопросы. На то они и физики. Но природа коварна, хотя и не злонамеренна. Можно, прав-да, подумать, что у неё есть свои любимчики среди учёных, и есть такие, которым ну просто не везёт.… Кажется иногда: набрёл человек на предмет грандиозной важности. Мир перевернёт. Засучил рукава, взялся, а задача выведенного яйца не стоит. Зато в ином случае дело начинается с пустяка, а вырастает в проблему мировых масштабов.
Закон термодинамики относят к числу великих законов природы. Первое начало термодинамики было записано в краткой и выразительной форме ещё тогда, когда физики предпочитали не говорить о молекулах. Почему? Любая попытка говорить о молекулах сводилась к публичному осуждению, считали эти представления продуктом чистой фантазии, аналогичными представлениям о ведьмах и приведениях.
Но в 1850 году немецкий учёный Рудольф Юлиус Клаузиус, профессор физики из Цюриха, установил закон, называющимся вторым началом термодинамики, который выражал необратимость тепловых процессов.
«Никогда тепло от менее нагретого тела не может само по себе переходить к более нагретому».
Вам кажется это само собой разумеющимся? Дескать, кому придёт в голову идея греться, опустив лёд или снег за шиворот?
В действительности 1 закон термодинамики не запрещает указанный переход тепла (лишь бы сохранялся закон энергии).
В самом деле, представим себе, что в калориметр с холодной водой опустили горячее тело. Если бы при этом холодная вода остыла и некоторое количество теплоты передала горячему телу, которое при этом ещё больше нагрелось, то такое явление не противоречило бы первому закону термодинамики и уравнение теплового баланса было бы верным.
Но такой процесс в природе никогда самопроизвольно не происходит. Горячее тело охлаждается, передавая тепло менее нагретому телу (холодной воде). Процесс, обратный этому не возможен!
Мы знаем много других примеров односторонности процессов:
1.Газы перемешиваются в сосуде, но сами не разделяются, а как ведут себя жидкости (например, кофе с молоком…)?
2.Кусок сахара растворяется в воде, но не выделяется обратно в виде куска.
3.Можно нагреть проволоку от аккумулятора, но нельзя (к огорчению автомобилистов) зарядить аккумулятор от нагретой проволоки.
Правда всё это можно увидеть, если снять на киноплёнку и посмотреть кино наоборот!
Процессы, обратные которым самопроизвольно не происходят, называются необратимыми. Данное физическое явление нашло отражение в русском фольклоре:
«Слово не воробей – вылетит, не поймаешь!», «Семь раз отмерь, один раз отрежь!». В сказках присутствует живая и мёртвая вода.
Рассмотрим один из простейших случаев необратимого процесса – явление превращения механического движения в тепловое.
Пусть имеется простейший маятник – тяжёлый шарик, подвешенный на тонкой нити. Приведём шарик в колебательное движение. Амплитуда его колебаний будет постепенно уменьшаться. Причиной этому является трение, которое испытывают шарик и нить. Но общая энергия шарика и нити не исчезнет. Механическая энергия ушла на нагрев среды. Но что это значит на языке молекул? А вот что: кинетическая энергия тела перешла в кинетическую энергию молекул.
Возможен ли обратный процесс? Нет, маятник не начнёт раскачиваться за счёт тепла, имеющегося в окружающей среде (не поможет и охлаждение маятника). Тело пришло в состояние равновесия, но самопроизвольно выйти из него не может!
В примере с калориметром. Нагретое тело передаёт тепло холодному до тех пор, пока не установится тепловое равновесие. Стремление к равновесию означает, что у событий имеется естественный ход.
Клаузиус решил вопрос о направлении самопроизвольных процессов в 1865 году, когда ввёл в «науку о тепле» (основную) одну из основных физических величин – энтропию (гр. превращение, наоборот).
«Слово энтропия я употребил ради его большого сходства со словом энергия, так как обе соответствующие этим названиям величины настолько близки по их физическому смыслу, что требовали, по моему мнению, однородных названий».
Так объяснил Клаузиус происхождение термина, которому принадлежало будущее. Энтропия является мерой беспорядка в системе. Полный порядок соответствует минимуму энтропии, любой беспорядок увеличивает её.
В теплоизолированных системах самопроизвольные процессы идут в сторону увеличения энтропии, в сторону увеличения беспорядка.
Закон возрастания энтропии является тем же вторым началом термодинамики.
Естественный ход событий – создание беспорядка из порядка.
Это прямо не закон физики, а какой-то лозунг анархистов! Теперь становится понятным многое.
Сколько не убирайся – всё равно будет беспорядок.
Сколько не заставляй учеников сидеть смирно и тихо, соблюдать по-рядок – в итоге….
Оказывается естественный ход событий – к беспорядку! Получается, что вся человеческая жизнь – это борьба с энтропией, борьба с всё возрастающей энтропией.
Получается, что второе начало термодинамики носит несколько пессимистический характер, по существу оно утверждает, что, в целом дела могут идти только «всё хуже!»
Почему? Кто даст ответ? А ответ уже есть! Австрийский физик Людвиг Больцман ответил на вопрос о причинах роста энтропии. Он установил связь между энтропией и вероятностью.
Чтобы понять это, вспомним, что тела состоят из огромного числа частиц, находящихся в непрерывном хаотическом движении. Возьмём для примера самую простую систему – идеальный газ.
Пусть в начале опыта газ находится в одной из половин сосуда, а в другой создан вакуум.
Если убрать заслонку, то газ займёт весь объём сосуда. Его плотность, давление, температура по всему объёму будут одинаковыми. Система в равновесном состоянии на языке энтропии. Нам не удаётся обнаружить состояние, при котором все молекулы газа собрались бы вновь в одной половине сосуда. Расширение газа в пустоту – процесс необ-ратимый. А почему? Что было бы, если бы частиц было немного? Как бы они распределялись между половинами сосуда?
Если в сосуде одна молекула n=1, то число N различных способов её распределения между двумя половинами сосуда - два!
Она находится либо в одной, либо в другой половине. Вероятность p найти молекулу в левой части сосуда 50 %; p = 50% Процесс обратим!
В случае двух частиц n=2.
Общее число возможных распределений - 4 .
Но только первый случай из четырёх, когда все частицы возвращаются, находятся в левой части сосуда. Вероятность обратимости: p = 25%
Процесс обратим! Но вероятность уменьшилась!
В случае трёх частиц n = 3.
8 - общее число возможных распределений! Но только первый случай, когда все частицы (все 3) находятся в левой части.

Обратимость становится всё менее и менее вероятным событием!
В 1 моле вещества молекул - много!!!
И только в первом случае все эти молекулы опять соберутся в первой части.

Совершенно очевидно, что такое событие настолько маловероятно, что можно считать его практически невозможным!
Можно представить себе, насколько мала эта вероятность, рассмотрев следующий пример.
Посадим обезьяну за пишущую машинку и научим её ударять по клавишам. Очевидно, что, вообще говоря, она будет печатать бессмысленный набор букв. Но иногда случайно из-под пальцев обезьяны будут выходить на листе бумаги слова. Не исключено даже, что обезьяна напечатает и какую-либо простую фразу. Но может ли обезьяна случайно написать целиком роман Льва Толстого «Война и мир»? Конечно, нет – скажет всякий нормальный человек. Но математик или физик скажет несколько иначе. Да, может, но вероятность этого ничтожно мала. Он может подсчитать эту вероятность. И возможно она будет ≈ такая же, как и вероятность превращения теплового движения молекул в видимое движение маятника.
Малой вероятностью объясняются и другие необратимые процессы. Значит, второй закон термодинамики имеет вероятностный характер, и справедлив он лишь для больших совокупностей частиц.
Комната, в которой мы находимся, заполнена воздухом. Почему в какой-либо момент не может случиться так, что молекулы из нижней половины комнаты перейдут в верхнюю половину – под потолок.
Такой процесс не невозможен – он очень невероятен. Но что значит очень невероятен? Если бы такое явление было даже в миллиард раз менее вероятно, чем беспорядочное распределение молекул, то всё-таки кто-нибудь смог его дождаться. Расчёты показывают, что такое событие встречается для сосуда объёмом в 1 см3
1 событие – на 10 в 30000000000000000000 степени!

Итак, самопроизвольные процессы ведут систему к наиболее вероятному состоянию – к возрастанию энтропии. Однако, маловероятные состояния имеют полное право на существование. Это было отражено Больцманом в его «Флуктуационной теории».
Флуктуации – это отклонение случайных величин (маловероятные) от наиболее вероятных средних величин. Да. Средняя величина всегда встречается чаще всего (как это похоже на нашу жизнь). Появление средних величин наиболее вероятно!
Жизнь во Вселенной – это флуктуация – отклонение от среднего значения, ведь наиболее вероятным является именно отсутствие таковой.

P.S.
Смириться с тем, что важнейший закон природы – второе начало термодинамики является законом простого случая, большинству учёных того времени было очень нелегко, поэтому теория Больцмана вызвала невероятно ожесточённые споры. Его окружала обстановка откровенного недружелюбия, а порой и открытая ненависть. 16 сентября 1906 года, находясь в состоянии глубокой депрессии, блестящий учёный ушёл из жизни. Больцман покончил с собой. И в том же году его позиция получила не просто поддержку, она была закреплена как единственно правильная, не допускающая иных толкований. Сделали это польский физик Мариан Смолуховский и Альберт Эйнштейн. А на постаменте надгробного камня Больцману высечена лаконичная надпись:

Это – выведенная им формула, выражает статистический (вероятностный) смысл второго начала термодинамики. В ней – суть его научного развития.

Марина Виже. 2005., (публикуется без иллюстраций с небольшим сокращением)