Почему всё вокруг такое, какое оно есть? Учащиеся 9 – го класса: Жигунова Арнела, Кабардокова Лиана, Хафизов Тимур МОУ СОШ 3 с.п. Аргудан

Цель работы: Объяснить необратимость Объяснить необратимость процессов в природе на основе процессов в природе на основе теории вероятностей. теории вероятностей.

Почему так происходит? Все наблюдали, как налитый в чашку горячий чай постепенно остывает, нагревая окружающий воздух. Но никто не видел, чтобы теплый чай в чашке вдруг закипел за счет охлаждения окружающего его воздуха. Такое явление не противоречило бы закону сохранения энергии, но такой процесс в природе никогда не происходит самопроизвольно, т.е. без воздействия внешних тел. Все наблюдали, как налитый в чашку горячий чай постепенно остывает, нагревая окружающий воздух. Но никто не видел, чтобы теплый чай в чашке вдруг закипел за счет охлаждения окружающего его воздуха. Такое явление не противоречило бы закону сохранения энергии, но такой процесс в природе никогда не происходит самопроизвольно, т.е. без воздействия внешних тел.

Необратимые процессы Представим себе, что сосуд разделен перегородкой на две части. В первой половине находится газ, во второй – вакуум. Если перегородку убрать, то газ расширяется и занимает весь сосуд. Но никогда не наблюдается самопроизвольное сжатие газа. Представим себе, что сосуд разделен перегородкой на две части. В первой половине находится газ, во второй – вакуум. Если перегородку убрать, то газ расширяется и занимает весь сосуд. Но никогда не наблюдается самопроизвольное сжатие газа. Процессы, обратные которым самопроизвольно не происходят, называются необратимыми. Процессы, обратные которым самопроизвольно не происходят, называются необратимыми.

Вероятность случайного события Выясним, какова вероятность того, что газ опять сожмется после расширения, т.е. молекулы снова соберутся в одной половине сосуда. Выясним, какова вероятность того, что газ опять сожмется после расширения, т.е. молекулы снова соберутся в одной половине сосуда. Вероятность случайного события характеризуется отношением числа случаев К, соответствующих наступлению ожидаемого события, к числу всех возможных случаев N: Вероятность случайного события характеризуется отношением числа случаев К, соответствующих наступлению ожидаемого события, к числу всех возможных случаев N: W=К/N. W=К/N. Известно, что газ состоит из огромного числа молекул. Сначала рассмотрим, что было бы, если бы частиц было немного. Известно, что газ состоит из огромного числа молекул. Сначала рассмотрим, что было бы, если бы частиц было немного.

1-я ситуация Предположим, что в сосуде находится одна молекула (n=1). Число различных способов её распределения между половинами сосуда N=2=2 1. Вероятность найти молекулу в любой половине сосуда равна W=½. Предположим, что в сосуде находится одна молекула (n=1). Число различных способов её распределения между половинами сосуда N=2=2 1. Вероятность найти молекулу в любой половине сосуда равна W=½. 11

2 –я ситуация Поместим теперь в сосуд две молекулы (n=2), предварительно пронумеровав их. Число возможных распределений молекул между частями сосуда станет равным N=4=2 2, а вероятность каждого случая W = 1/4 = 1/2 2. Поместим теперь в сосуд две молекулы (n=2), предварительно пронумеровав их. Число возможных распределений молекул между частями сосуда станет равным N=4=2 2, а вероятность каждого случая W = 1/4 = 1/

3 – я и 4 – я ситуации Если в сосуде будут находиться три пронумерованных молекулы (n=3), то число случаев размещения возрастает до N=8=2 3, а вероятность каждого случая уменьшается до W=1/8=1/2 3. Если в сосуде будут находиться три пронумерованных молекулы (n=3), то число случаев размещения возрастает до N=8=2 3, а вероятность каждого случая уменьшается до W=1/8=1/2 3. При наличии четырёх молекул (n=4) число случаев становится равным N=16=2 4, а вероятность каждого случая W=1/16=1/2 4. При наличии четырёх молекул (n=4) число случаев становится равным N=16=2 4, а вероятность каждого случая W=1/16=1/2 4.

Предварительные выводы Из рассмотренных ситуаций делаем вывод, что при наличии в сосуде n молекул число случаев размещения этих молекул между половинами сосуда станет равным N=2 n, а вероятность каждого случая – W=1/2 n. Из рассмотренных ситуаций делаем вывод, что при наличии в сосуде n молекул число случаев размещения этих молекул между половинами сосуда станет равным N=2 n, а вероятность каждого случая – W=1/2 n. Таким образом, по мере увеличения числа молекул вероятность каждого случая индивидуального размещения молекул уменьшается. Таким образом, по мере увеличения числа молекул вероятность каждого случая индивидуального размещения молекул уменьшается. При этом только один случай соответствует распределению частиц, при которой все они соберутся в одной половине сосуда. При этом только один случай соответствует распределению частиц, при которой все они соберутся в одной половине сосуда. С увеличением числа молекул вероятность равновесного состояния (равномерного распределения молекул) будет всё более и более возрастать по сравнению с вероятностью любого неравновесного состояния. С увеличением числа молекул вероятность равновесного состояния (равномерного распределения молекул) будет всё более и более возрастать по сравнению с вероятностью любого неравновесного состояния.

Необратимость расширения газа с большим числом молекул Если в сосуде находится газ в количестве 1 моль, т.е. число молекул газа равно n= Число возможных размещений молекул по обеим половинам сосуда равно Если в сосуде находится газ в количестве 1 моль, т.е. число молекул газа равно n= Число возможных размещений молекул по обеим половинам сосуда равно N= N= И только в одном из этих случаев все молекулы снова соберутся в левой (или правой) части сосуда. Вероятность такого события равна: И только в одном из этих случаев все молекулы снова соберутся в левой (или правой) части сосуда. Вероятность такого события равна: W=1/N=1/2 6 10, т.е. примерно равна 0. W=1/N=1/2 6 10, т.е. примерно равна 0. Такое событие настолько маловероятно, что можно считать его практически невозможным. Наибольшее число случаев из всех возможных случаев соответствует равномерному распределению молекул в сосуде и является наиболее вероятным состоянием. Такое событие настолько маловероятно, что можно считать его практически невозможным. Наибольшее число случаев из всех возможных случаев соответствует равномерному распределению молекул в сосуде и является наиболее вероятным состоянием... 23

Почему необратим процесс расширения газа в пустоту? Потому что расширяющий газ, занимая весь объем сосуда, переходит в наиболее вероятное состояние равномерного распределения молекул по объему. Самопроизвольное сжатие газа означало бы скопление всех молекул в одной части сосуда, т.е. переход системы в наименее вероятное состояние (W=1/2 n ), которое практически неосуществимо. Потому что расширяющий газ, занимая весь объем сосуда, переходит в наиболее вероятное состояние равномерного распределения молекул по объему. Самопроизвольное сжатие газа означало бы скопление всех молекул в одной части сосуда, т.е. переход системы в наименее вероятное состояние (W=1/2 n ), которое практически неосуществимо.

Почему необратим процесс теплообмена? Потому что переходу теплоты от горячего тела к холодному соответствует наиболее беспорядочное (равномерное) распределение «быстрых» и «медленных» молекул по всей системе (телам), т.е. наиболее вероятное состояние системы. Передача теплоты от холодного тела к горячему означала бы увеличение порядка в распределении молекул (скопление «быстрых» молекул в одном теле, а «медленных» - в другом), т.е. самопроизвольный переход системы в менее вероятное состояние. Потому что переходу теплоты от горячего тела к холодному соответствует наиболее беспорядочное (равномерное) распределение «быстрых» и «медленных» молекул по всей системе (телам), т.е. наиболее вероятное состояние системы. Передача теплоты от холодного тела к горячему означала бы увеличение порядка в распределении молекул (скопление «быстрых» молекул в одном теле, а «медленных» - в другом), т.е. самопроизвольный переход системы в менее вероятное состояние.

Вывод Анализ любого необратимого процесса, происходящего в конечной изолированной системе, приводит к одному выводу: Анализ любого необратимого процесса, происходящего в конечной изолированной системе, приводит к одному выводу: необратимые процессы необратимые процессы необратимы потому, что они необратимы потому, что они сопровождаются возрастанием сопровождаются возрастанием вероятности состояния системы. вероятности состояния системы.

Список литературы Грабовский Р.И. Курс физики. – СПб.: Издательство «Лань», Грабовский Р.И. Курс физики. – СПб.: Издательство «Лань», «Обучение для будущего»: Учеб. пособие. – М.: Издательско – торговый дом «Русская Редакция», «Обучение для будущего»: Учеб. пособие. – М.: Издательско – торговый дом «Русская Редакция», Физика: Учеб. для 10 кл. с углуб. изуч. физики/ Под ред. Пинского А.А. – М.: Просвещение, Физика: Учеб. для 10 кл. с углуб. изуч. физики/ Под ред. Пинского А.А. – М.: Просвещение, Физика: Энциклопедия./Под ред. Прохорова Ю.В. – М.: Большая Российская энциклопедия,2003. Физика: Энциклопедия./Под ред. Прохорова Ю.В. – М.: Большая Российская энциклопедия,2003.