41
Түрлі процестерді термодинамиканың екінші заңының негізінде сапалық
және сандық сипаттау үшін оны статистикалық тұрғыдан түсіндіру маңызды.
Оқушыларды молекулалық құбылыстардың қайтымсыздығын механикалық
қайтымдылықпен салыстыра отырып, олардың механикалық құбылыстарға
қарағандағы сапалық ерекшеліктерімен ғана таныстырған дұрыс.
“Қайтымды процесс – жүйенің бір күйден екінші күйге өту процесі, онымен
нақты мүмкін болатынын, қарастырылып отырған процестің барлық аралық
күйлерін кері ретпен бірізді қайталайтын қайтымды өтуді салыстыруға
болады” (физикалық энциклопедиялық сөздік, 3 т., 469 б.). Табиғатта өтетін
процестер (асқын өткізгіштік және асқын аққыштық құбылыстардан басқа),
әдетте, бұл шартты қанағаттандырмайды әрі кайтымсыз болып табылады.
Алайда идеалданған (үйкеліссіз, джоульдік жылу шығармайтын және т.б.)
жағдайлар үшін олардың кейбіреулерін қайтымды деп қарастыруға болады.
Қайтымды процестер уақыт таңбасының өзгеруі кезінде өзінің түрін сақтап
қалатын теңдеулер (мысалы, механика заңдары) арқылы сипатталады.
Оқушылар термодинамиканың екінші заңын меңгеруі үшін оны тұжы-
рымдауды білуі және заңның іргелілігін түсінуі үшін орта мектептің физика
курсында жылулық процестердің қайтымсыздығы туралы түсініктерді
жалпылап қорытындылау қажет.
Молекулалық құбылыстардың механикалық құбылыстармен салыстыр-
ғандағы сапалық ерекшеліктерін түсіндіру үшін мектеп оқушыларын термоди-
намиканың екінші заңының статистикалық мағынасымен таныстыру қажет.
Молекулалық құбылыстардың қайтымсыздығын — олардың механикалық
құбылыстармен салыстырғандағы неғұрлым маңызды ерекшеліктерін
оқушыларға таныс мысалдар арқылы көрнекі түрде көрсетуге болады.
Молекулалық жүйе уақыт өтуімен тепе-теңдікке келеді және теңсіздік күйге
өздігінен қайтадан оралмайды. Өз еркіне қалдырылған газ уақыт өтуімен
көлемге бірқалыпты тарайды және бұл күй тепе-теңдікке сәйкес келеді,
бірақ газ сырттан әсер болмағанда еш уақытта ыдыстың бір ғана бөлігіне көп
мөлшерде жиналмайды және т.с.с.
Ықтималды-статистикалық тұрғыдан сипаттағанда макрожүйенің теңсіздік
күйден тепе-теңдік күйге өздігінен өтуі нені білдіреді? Оны келесі мысал
арқылы түсіндіреміз. Мәселен, сондай ыдыс болсын делік, оның екі жартысы
арасына газ молекулаларының таралуын қарастырайық. Егер ыдыста бір
молекула болса, онда ол бірдей ықтималдықпен ыдыстың оң жағында да, сол
жағында да бола алады. Егер біз төрт молекула алсақ, онда олардың бірқалыпты
таралуы (ыдыстың әр жартысында екі молекуладан) кез келген бірқалыпсыз
таралуға қарағанда неғұрлым ықтимал болады. Бұнда, егер молекулалар
орындарын ауыстырса, яғни ыдыстың бір жартысынан екіншісіне бір мезгілде
өтсе, қарастырылып отырған жүйенің күйі өзгермейді. Молекулалардың
көбірек мөлшерін қарастыра отырып, біз олар ыдыстың бір жартысынан
екінші жүйенің жалпы күйінің өзгермейтініне байланысты мүмкін болатын
орын ауыстыруларының саны артатынын байқаймыз. Ыдыстағы молекулалар
санының артуымен олардың бір-бірімен соқтығысу саны да артады, сол себепті
бірмезгілде молекулалардың көлем бойынша бірқалыпты таралу ықтималдығы
да артады. Сонымен, макрожүйенің теңсіздік күйден тепе-теңдік күйге өтуі
42
молекулалардың көлем бойынша неғұрлым
бірқалыпты таралуымен байланысты.
Бұл өту ықтималдықтар теориясында
жүйенің ықтималдығы неғұрлым аз күйден
ықтималдығы неғұрлым көбірек күйге
өткенін білдіреді. Кері процестің болу
ықтималдығы аз болғандықтан, өту процесі
қайтымсыз. Бұл тұжырым басқа да процестер
үшін дұрыс.
Мәселен, жылулық қозғалыс салдарынан энергиялары бірдей бөлшектер
газ көлеміндегі орындарын ауыстырды делік. Бұл кезде жүйенің микрокүйі
өзгереді, алайда құралдардың (термометр, манометр және т.б.) көмегімен
мұндай өзгерістерді байқау мүмкін емес. Олай болса, бөлшектер энергиясының
таралуы бұзылмайтын, яғни жүйенің макроскопиялық параметрлері өзгеріссіз
қалатын кездегі жылулық қозғалыс, макрожүйе күйінің өзгеруін тудырмайды
және осы күй тепе-теңдік күйге жатады. Ол жылулық қозғалыс күй
энергиясының өзгерісімен, яғни жүйенің макроскопиялық параметрлерінің
өзгерісімен байланысты болатын кез келген теңсіздік күйге қатысты
ықтималдыққа сәйкес келеді. Сөйтіп, іргелі қорытындыға келеміз:
қайтымыз
процесс — жүйенің ықтималдығы аз күйден ықтималдығы неғұрлым жоғары
күйге өтуі.
Бұл қорытынды термодинамиканың екінші заңының мәнін түсінуге
мүмкіндік береді. Екінші ретті мәңгі қозғалтқыштың ойша модельдерінің
бірін қарастырайық.
Мәселен, 5-суретте бейнеленген қондырғыда мынадай жағдай орын алады.
Газ өздігінен
V аз көлемге жиналды, содан кейін поршеньді аралық
қабырғаға тығыз итереді. Енді газ аралық қабырғадағы саңылау арқылы ұлғая
алатын болсын. Оны изотермиялық қайтымды ұлғаюға мәжбүрлейік. Сонда ол
жұмыс жасайды, ал жұмыс жасалуы үшін газға қандай да бір жылу мөлшерін
беру керек. Цикл тұйықталады. Поршень оң жақ шеткі орынға өткеннен кейін,
газ қайтадан өздігінен
V көлемге жиналады да, екінші циклдегі изотермиялық
ұлғаю басталады. Жұмыс газға берілетін жылу есебінен орындалады, яғни
мәңгі қозғалтқыш ойлап табылғандай. Бірақ цикл ішінде өтетін процестерді
статистикалық тұрғыдан түсіндіру бұның неліктен мүмкін емес екенін түсінуге
мүмкіндік береді.
Газдың өздігінен аз көлемге жиналу ықтималдығы өте аз. Егер
V
1
көлемдегі
бір молекуланы табу ықтималдығы 1/2 тең болса, ал олардың саны, мәселен,
Авогадро санына тең болса, онда
V
1
көлемге сонша молекуланың жиналу
ықтималдығы —
1
2
610 23
−
тең, яғни тіпті осы қарапайым мысал арқылы
áұл оқиғаның ықтималдығы қаншалықты аз екенін көрсетуге болады.
Сондықтан қарастырылып отырған қозғалтқыш цикліндегі қайтымсыз буын
оның жұмысын тек бір бағытты ете алады, ал бұл термодинамиканың екінші
заңының тұжырымдамасында атап көрсетілген.
Сонымен, термодинамиканың екінші заңын оқып-үйренумен қатар Томсон
тұжырымдамасында оны жаратылыстанудағы іргелі заңдардың бірі ретінде
қарастыруға мүмкіндік беретін статистикалық түсіндірмесін беру керек,
өйткені ол табиғаттағы кез келген процестің бағытын көрсетеді.
5-сурет
Достарыңызбен бөлісу: |
