Упорядоченное и хаотическое движения

Наблюдения за поведением физических систем показывает, что любая физическая система самопроизвольно переходит из состояния с меньшей энтропией в состояние с большей энтропией. Для примера рассмотрим систему, состоящую из двух частей, разделенных адиабатической перегородкой, - сосуд с водой разделенный на две части теплонепроницаемой заслонкой. Одна часть имеет температуру T1, а другая - температуру T2. Данное состояние характеризуется некоторым значением энтропии. Если убрать перегородку, то тепло станет перетекать от горячей части системы к холодной, пока не установится тепловое равновесие. Установившееся состояние характеризуется большим значением энтропии. Из примеров такого рода можно сделать вывод, что энтропия является характеристикой возможности самопроизвольного перехода. Чем меньше энтропия, тем больше возможностей системе перейти в состояние с большим значением энтропии при появлении канала перехода. В рассмотренном примере каналом перехода является теплопроводность заслонки.

Рассмотрим другую - более показательную ситуацию.

Металлический брусок массы m с некоторой начальной скоростью пустили вдоль плоской пластины. Из-за трения, проскользив определенное расстояние, брусок остановился. При торможении его кинетическая энергия поступательного движения уменьшалась. Она, однако, не исчезла, а перешла в тепловую энергию - внутреннюю энергию бруска и внутреннюю энергию пластины. Если начальное значение энергии Eкин, то сила трения совершит работу A=Eкин. Причем брусок и пластина получат количество теплоты Q=A=Eкин. Энтропия бруска и пластины увеличится, примерно на Q/T=Eкин/T. Все происходит в соответствии с представлением о том, что система самопроизвольно переходит в состояние с большим значением энтропии (процесс торможения является самопроизвольным).

Обратим внимание на то, что в начальной форме энергия бруска представляла собой кинетическую энергию всех частиц. После остановки энергия бруска, перешедшая в тепловую энергию, также является кинетической энергией всех составляющих его частиц. Все отличие состоит в том, что в начальном состоянии каждая молекула бруска имела одну и ту же постоянную составляющую скорости (в направлении движения). После остановки бруска однородная составляющая скорости превратилась в добавку случайной величины и направления. Упорядоченное движение превратилось в хаотическое.

Ясно, что в начальном состоянии качество энергии было более высоким, чем в конечном состоянии - всю кинетическую энергию упо­рядоченного движения можно превратить в работу, в то время, как вся тепловая энергия не может целиком превратиться в механическую работу.

В результатесамопроизвольного торможения увеличилась степень беспорядка. Начальную кинетическую энергию можно было приписать центру масс (частица с массой, равной массе бруска, имеющая скорость, равную скорости бруска, имеет ту же самую кинетическую энергию, что и брусок). После остановки эта энергия перераспределилась хаотическим образом между многими частицами - молекулами бруска.

На данное явление можно взглянуть с позиций распределения молекул по скоростям. После остановки бруска распределение молекул по х-, y- и по z- проекциям скоростей стало более широким - увеличился разброс значений проекций скоростей молекул. Именно это обстоятельство выражает факт возрастания энтропии бруска. Чем больше возрастание энтропии, тем сильнее увеличивается хаос в движении молекул, в распределении значений их скоростей. Таким образом, проведенное наблюдение указывает на то, что энтропия является характеристикой неупорядоченности распределения энергии между частицами тела.

Если бы все молекулы бруска имели одну и ту же скорость и двигались в одну и ту же сторону и не имели бы хаотической составляющей скорости, энтропия тела в таком состоянии равнялась бы нулю.

Любое упорядоченное движение в конце концов прекращается из-за трения. Энергия упорядоченного движения переходит в энергию неупорядоченного движения (во внутреннюю энергию) - перераспределяется между молекулами так, что значение энергии одной молекулы никак не связано с энергией другой. Рост энтропии отражает факт перехода упорядоченного вида энергии в неупорядоченный, хаотический - в тепловую энергию. Тепловая энергия является наиболее неупорядоченным видом энергии.

В связи свышеизложенным возникает вопрос - не противоречит ли результат действия теплового двигателя - превращение энергии хаотического движения молекул нагревателя в энергию упорядоченного движения молекул поршня - утверждению о том, что любой процесс в конце концов ведет к увеличению беспорядка, хаоса, к увеличению энтропии? Нет не противоречит. Дело в том, что данное превращение происходит ценой значительного увеличения энтропии холодильника. Увеличение энтропии велико, потому, что теплопередача холодильнику происходит при более низкой температуре, чем отнятие тепла от нагревателя и превращение его в упорядоченный вид энергии (в механическую).

Итоги. Энтропия является характеристикой хаотичности распределения энергии между частицами тела. Любая физическая система самопроизвольно переходит из состояния с меньшей энтропией в состояние с большей энтропией.