4 Опыт показывает, что теплообмен, как и диффузия, является односторонне направленным процессом. В результате теплообмена энергия передается сама собой всегда от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. Вследствие этого теплообмен всегда сопровождается выравниванием температур. Обратный процесс передачи теплоты от холодных тел к горячим сам по себе никогда не происходит.
1 На первый взгляд необратимость тепловых процессов представляется парадоксальной. Действительно, все тепловые процессы, в конечном счете, сводятся к механическим — к движению и взаимодействию частиц вещества. Но ведь механические процессы обратимы; чем же вызвана необратимость тепловых явлений? Разрешить это кажущееся противоречие удастся с помощью молекулярно-статистической теории, в которой методы теории вероятностей применяются для изучения процессов, происходящих в системе, состоящей из огромного множества.
2 Мы здесь не сможем подробно изложить идеи этой теории, поэтому ограничимся одним простым примером, представляющим собой модель процесса диффузии. Представим себе сосуд, разделенный на две половины непроницаемой перегородкой; пусть нижняя половина сосуда содержит N частиц, вторая — пустая. Если проделать в перегородке отверстие, то начнется диффузия газа и через некоторое время установится равенство концентраций и давлений, так что в каждой из половин сосуда будет содержаться примерно половина частиц. Однако сколько бы мы ни ждали, газ самопроизвольно в начальное состояние не вернется. Рассмотрим, в чем причина необратимости, считая, что частицы различимы и могут быть пронумерованы.
Исходное
состояние может быть реализовано лишь одним способом: все N частиц находятся в
одной половине сосуда, а в другой половине пусто. Вероятность такого состояния
чрезвычайно мала. Состояние же, когда в каждой половине сосуда содержится 
частиц, может быть реализовано очень
большим числом способов. Поэтому вероятность постепенного состояния велика.
Полученный результат сформулируем иначе: можно утверждать, что вероятность равномерного распределения частиц по обеим половинам сосуда в W раз больше вероятности того случая, когда в одной половине сосуда находятся все частицы, а в другой — ни одной.
3 Можно показать, что вероятность равномерного распределения частиц по обеим половинам сосуда всегда значительно больше вероятности того случая, когда в одной половине сосуда число частиц окажется больше половины, а в другой — меньше. Чем больше общее число частиц, тем больше различие этих вероятностей. Проиллюстрируем это на примере возможных размещений 8 частиц в двух половинах сосуда, разделенных перегородкой отверстием. Результаты расчета изобразим на графике (рисунок 9). Здесь по оси х откладываем номер (К) возможного состояния системы, а по оси у — вероятность СKN данного состояния условных единицах. Видно, что вероятность равномерного деления частиц по обеим половинам сосуда примерно раз больше неравномерного распределения, когда одна половина сосуда содержит 7 частиц, а вторая половина содержит одну. Заметим, что аналогичному вероятностному закону распределения подчиняется и распределение молекул по скоростям. Из рисунка видно, что мала вероятность наличия молекул, как с малой, так и с большой скоростью. Максимальна вероятность наличия молекул со средней скоростью при данной температуре. Вообще подобной вероятностной закономерности подчиняются все процессы, происходящие с большим числом объектов и их состояний.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.