1. Сформулируйте второй закон термодинамики.
Второй закон термодинамики гласит, что в замкнутой системе процессы естественного обмена энергией и веществом происходят так, что суммарная энтропия системы и её окружения увеличивается. Этот закон также утверждает, что теплота не может передаваться от более холодного тела к более горячему без воздействия внешней работы.
2. Приведите примеры необратимых процессов.
Сгорание топлива. Механическое трение, приводящее к выделению тепла. Диффузия вещества через мембрану без внешнего воздействия. Процесс изотермического расширения газа с потерей энергии.
3. Можно ли передать некоторое количество теплоты от менее нагретого тела более нагретому без изменений в других телах?
Нет, передача теплоты от менее нагретого тела к более нагретому телу невозможна без изменений в других частях системы. Это противоречит второму закону термодинамики.
4. Какие устройства называют вечными двигателями первого и второго рода?
Вечный двигатель первого рода — это гипотетическое устройство, которое нарушает закон сохранения энергии и может бесконечно извлекать энергию без затрат. Вечный двигатель второго рода — гипотетическое устройство, которое нарушает второй закон термодинамики, преобразуя всю теплоту в работу без потерь энергии в виде тепла в холодный резервуар.
5. Почему весь воздух в классе не собирается в одном углу?
Весь воздух в классе не собирается в одном углу, потому что молекулы воздуха обладают тепловым движением, что приводит к их равномерному распределению по объему. Этот процесс описан законом Броуна, который указывает на случайные и хаотичные столкновения молекул, вызывающие их равномерное распределение.
6. Приведите пример перехода системы от «порядка» к «хаосу».
Пример перехода системы от «порядка» к «хаосу»: Когда разогретое вещество быстро охладится и перейдет в неупорядоченное состояние, например, при плавлении кристаллов металла, когда они теряют свою кристаллическую структуру и становятся жидкими.
7. Что характеризует энтропия?
Энтропия характеризует степень беспорядка или хаоса в системе. Чем больше энтропия, тем более беспорядочно и равномерно распределены энергии и вещества в системе. В термодинамике энтропия указывает на направление естественных процессов: в замкнутой системе энтропия всегда стремится увеличиваться.
1. В сосуде находятся четыре частицы. Сосуд мысленно разделён на две равные части. Определите число микросостояний, которыми реализуется следующее макросостояние: а) все частицы находятся в левой части сосуда; 6) в левой части сосуда находятся три частицы; в) в левой части сосуда находятся две частицы.
Для каждого макросостояния мы определяем количество способов распределить частицы по двум частям сосуда.
а) Все частицы в левой части сосуда:
Так как все частицы находятся в левой части сосуда, то существует только 1 способ разместить все частицы в одной части. Число микросостояний = 1.
б) Три частицы в левой части сосуда:
Из 4 частиц нам нужно выбрать 3 для размещения в левой части сосуда. Количество способов выбора 3 частиц из 4 можно вычислить с помощью формулы сочетаний:
C(4, 3) = 4
Число микросостояний = 4.
в) Две частицы в левой части сосуда:
Из 4 частиц нам нужно выбрать 2 для размещения в левой части сосуда. Количество способов выбора 2 частиц из 4:
C(4, 2) = 6
Число микросостояний = 6.
2. Определите вероятность каждого из макросостояний из задачи 1.
Для того чтобы вычислить вероятность макросостояния, нужно поделить число микросостояний данного макросостояния на общее число возможных микросостояний.
Общее число микросостояний для 4 частиц, которые могут быть либо в левой, либо в правой части сосуда (всего 2 возможных состояния для каждой частицы), будет равно 2^4 = 16.
а) Вероятность макросостояния, где все частицы в левой части:
P(все в левой) = Число микросостояний / Общее число микросостояний = 1 / 16 = 0,0625.
б) Вероятность макросостояния, где три частицы в левой части:
P(три в левой) = 4 / 16 = 0,25.
в) Вероятность макросостояния, где две частицы в левой части:
P(две в левой) = 6 / 16 = 0,375.
3. Определите вероятность того, что все четыре частицы в сосуде (см. задачу 1) соберутся в одной четвёртой левой части сосуда.
Если сосуд разделён на 4 равные части, то каждая частица может попасть в одну из этих 4 частей. Поскольку мы ищем вероятность того, что все 4 частицы окажутся в одной четвёртой части левой половины сосуда, вероятность для каждой частицы попасть в одну конкретную часть будет равна 1/4.
Вероятность того, что все 4 частицы попадут в одну конкретную четвёртую часть левой половины сосуда будет:
P(все в одной части) = (1/4)^4 = 1/256 ≈ 0,0039.