Реферат: Обратимые и необратимые процессы в термодинамике: диссипативные системы. Энтропия. Флуктуации и корреляции

(11)

где  - приращение (дифференциал) энтропии некоторой системы, а  - бесконечно малое количество теплоты, полученное этой системой.

Необходимо обратить внимание на то, что рассматриваемое термодинамическое определение применимо только к квазистатическим процессам (состоящим из непрерывно следующих друг за другом состояний равновесия).

Величина dS является полным дифференциалом, т.е. ее интегрирование по любому произвольно выбранному пути дает разность между значениями энтропии в начальном (А) и конечном (В) состояниях:

(12)

Теплота не является функцией состояния, поэтому интеграл от δQ зависит от выбранного пути перехода между состояниями А и В. Энтропия измеряется в Дж/(моль·град).

Понятие энтропии как функции состояния системы постулируется вторым началом термодинамики, которое выражает через энтропию различие между необратимыми и обратимыми процессами. Для первых dS>δQ/T для вторых dS=δQ/T.

Поскольку энтропия является функцией состояния <#"721913.files/image013.gif"> считать полным дифференциалом нельзя.

Энтропия, таким образом, согласно вышеописанному, определена вплоть до произвольной аддитивной постоянной. Третье начало термодинамики <#"721913.files/image015.gif"> при температуре T₁ и уходит количество тепла  при температуре T₂. Приращение энтропии, связанное с данными тепловыми потоками, равно:

(13)

В стационарных системах обычно  = , T₁ > T₂, так что < 0. Поскольку здесь изменение энтропии отрицательно, то часто употребляют выражение «приток негэнтропии», вместо оттока энтропии из системы. Негэнтропия определяется, таким образом, как "отрицательная энтропия".

Суммарное изменение энтропии открытой системы будет равно:

dS = dS_i + dS₀ (14)

Если всё время dS > 0, то рост внутренней энтропии не компенсируется притоком внешней негэнтропии, система движется к ближайшему состоянию равновесия. Если dS = 0, то мы имеем стационарный процесс с неизменной общей энтропией. В этом случае в системе осуществляется некоторая внутренняя работа с генерацией внутренней энтропии, которая преобразует, например, температуру T₁ внешнего потока тепла в температуру T₂ уходящего из системы потока тепла.

В реальных экспериментах <#"721913.files/image019.gif">,(15)

где нижний индекс X относится к постоянным объёму и давлению. Мы можем проинтегрировать для получения изменения энтропии:

(16)

Таким образом, мы можем получить значение энтропии любого состояния (P,V) по отношению к первоначальному состоянию (P₀,V₀). Точная формула зависит от нашего выбора промежуточных состояний. Для примера, если первоначальное состояние имеет такое же давление, как и конечное состояние, то

(17)

В добавление, если путь между первым и последним состояниями лежит сквозь любой фазовый переход первого рода, скрытая теплота, ассоциированная с переходом, должна также учитываться.

Энтропия первоначального состояния должна быть определена независимо. В идеальном варианте выбирается первоначальное состояние как состояние при экстремально высокой температуре, при которой система существует в виде газа. Энтропия в этом состоянии подобна энтропии классического идеального газа плюс взнос от молекулярных вращений и колебаний, которые могут быть определены спектроскопически.[4]

4. Флуктуации и корреляции

.1 Флуктуация основных термодинамических величин

Флуктуация (от лат. fluctuatio - колебание) - термин, характеризующий любое колебание или любое периодическое изменение. В квантовой механике - случайные отклонения от среднего значения физических величин, характеризующих систему из большого числа частиц; вызываются тепловым движением частиц или квантовомеханическими эффектами.

Примером термодинамических флуктуаций являются флуктуации плотности вещества в окрестностях критических точек, приводящих, в частности, к сильному рассеиванию света веществом и потере прозрачности (опалесценция).

Корреляция (от лат. correlatio - соотношение, взаимосвязь), корреляционная зависимость - статистическая взаимосвязь двух или нескольких случайных величин (либо величин, которые можно с некоторой допустимой степенью точности считать таковыми). При этом изменения значений одной или нескольких из этих величин сопутствуют систематическому изменению значений другой или других величин.

Для таких величин, как энергия, объем и т. п., имеющих наряду с термодинамическим также и чисто механический смысл, понятие флуктуации само собой очевидно. Оно нуждается, однако, в уточнении для таких величин, как энтропия и температура, определение которых неизбежно связано с рассмотрением тела в течение конечных интервалов времени. Пусть, например, S(E,V) есть равновесная энтропия тела как функция его (средних) энергии и объема. Мы будем понимать под флуктуацией энтропии изменение функции S(E,V), рассматриваемой формально как функция от точных (флуктуирующих) значений энергии и объема.

Вероятность  флуктуации пропорциональна , где S_n - полная энтропия замкнутой системы, т. е. всего тела в целом. С тем же успехом можно написать, что  пропорциональна  ~ exp ∆S_n, где ∆S_n - изменение энтропии при флуктуации.

Согласно формуле

(18)

имеем:

 (19)

где  - минимальная работа, необходимая для того, чтобы обратимым образом произвести заданное изменение термодинамических величин данной малой части тела (по отношению к которой остальные части тела играют роль среды). Таким образом,

(20)

Подставим сюда для R_min выражение R_min = ∆E - T₀∆S + P₀∆V, где ∆E, ∆S, ∆V - изменения энергии, энтропии и объема данной малой части тела при флуктуации, а T₀ и P₀ - температура и давление «среды», т. е. равновесные (средние) значения температуры и давления тела.

Таким образом, имеем

(21)

Заметим, что в таком виде эта формула применима к любым флуктуациям - как небольшим, так и значительным; под значительными здесь подразумеваются такие флуктуации, при которых, например,  сравнимо с энергией самой малой части тела, но, конечно, по-прежнему мало по сравнению с энергией тела в целом. В применении к малым флуктуациям (какими они, вообще говоря, являются) формула (21) дает следующее. Разлагая  в ряд, получим

(22)

Это выражение можно написать в виде

.(23)

Таким образом, получаем вероятность (21) флуктуации в виде

.(24)

Из этой общей формулы можно найти флуктуации различных термодинамических величин. Выберем сначала в качестве независимых переменных V и T. Тогда

 (25)

Подставляя эти выражения в показатель формулы (24), найдем, что члены с ∆V ∆T сокращаются, и остается

.(26)

Это выражение распадается на два множителя, зависящих только от ∆T или ∆V. Другими словами, флуктуации температуры и объема статистически независимы, а потому  = 0.

Сравнивая поочередно каждый из двух множителей, на которые распадается (26), с общей формулой

(27)

распределения Гаусса, найдем следующие выражения для средних квадратов флуктуации температуры и объема:

,(28)

.(29)

Положительность этих величин обеспечивается термодинамическими неравенствами C_V > 0 и .

Выберем теперь в качестве независимых переменных в (24) P и S. Тогда

, (30)

. (31)

Но согласно формуле dW = TdS + VdP имеем

, (32)

и поэтому

.(33)

Подставляя ∆V и ∆T в (24), находим

.(34)

Как и (26) это выражение распадается на множители, зависящие соответственно от ∆V и ∆T. Другими словами, флуктуации энтропии и давления статистически независимы, и потому  = 0.

Для средних квадратов флуктуации энтропии и давления находим

,(35)

.(36)

Из полученных формул видно, что средние квадраты флуктуации аддитивных термодинамических величин - объёма и энтропии-пропорциональны размерам (объему) тех частей тела, к которым они относятся. Соответственно средняя квадратичная флуктуация этих величин пропорциональна квадратному корню из объема, а относительная флуктуация - обратно пропорциональна этому корню. Для таких же величин, как температура и давление, обратно пропорциональны корню из объема уже сами их средние квадратичные флуктуации.

 (37)

Эта величина, очевидно, не может зависеть от того, рассматриваем ли мы флуктуацию в постоянном объеме или для постоянного числа частиц. Поэтому из последней формулы можно найти флуктуацию числа частиц, находящихся в определенном выделенном в теле объеме. Поскольку при этом V есть заданная величина, то надо положить

.(38)

Подставляя это в (37), находим

.(39)

Для некоторых вычислений удобно представить эту формулу в ином виде. Замечая, что производная  подразумевается взятой при постоянном N, пишем

.(40)

Но число частиц N как функция от P, T, V в силу соображений аддитивности должно иметь вид N = Vf(P,T); другими словами, N/V есть функция только от P и T, и потому безразлично, производится ли дифференцирование N/V при постоянном N или V,так что можно написать:

(41)

(мы воспользовались равенством ). Таким образом, получаем следующую формулу для флуктуации числа частиц:

(42)

Наряду с рассмотренными термодинамическими величинами, тело характеризуется также импульсом P своего макроскопического движения относительно среды. В состоянии равновесия никакого макроскопического движения нет, т. е. P = 0. Движение, однако, может появиться в результате флуктуации; определим вероятность такой флуктуации. Минимальная работа R_min в этом случае равна просто кинетической энергии тела

(43)

где M - его масса, ν = P/M - скорость макроскопического движения.

Таким образом, имеем для искомой вероятности

.(44)

Отметим, что флуктуации скорости статистически независимы от флуктуации других термодинамических величин. Средний квадрат флуктуации каждой из декартовых компонент скорости равен

(45)

он обратно пропорционален массе тела.

Из выведенных формул видно, что средние квадраты флуктуации таких величин, как энергия, объем, давление, скорость, обращаются при абсолютном нуле в нуль (пропорционально первой степени температуры). Это является общим свойством всех термодинамических величин, имеющих также и чисто механический смысл, но, вообще говоря, не относится к таким чисто термодинамическим величинам, как энтропия и температура.

Формула (28) для флуктуации температуры может быть истолкована еще и с другой точки зрения. Как мы знаем, понятие температуры может быть введено через посредство распределения Гиббса; при этом температура рассматривается как параметр, определяющий это распределение. В применении к изолированному телу распределение Гиббса полностью описывает его статистические свойства с той лишь неточностью, что оно дает весьма малые, но все же отличные от нуля флуктуации полной энергии тела, которых в действительности не должно быть. Напротив, если считать энергию величиной заданной, то нельзя приписывать телу вполне определенную температуру, и надо считать, что последняя испытывает флуктуации, определяющиеся формулой (28), в которой C_V будет теплоемкостью тела в целом. Эта величина, очевидно, характеризует точность, с которой может быть дано определение температуры изолированного тела.[5]

.2 Корреляция флуктуации

термодинамический диссипативный адиабатический флуктуация

Утверждение, что в однородном изотропном теле (газ или жидкость) все положения частиц в пространстве равновероятны, относится к каждой данной частице при условии, что все остальные частицы могут занимать произвольные положения. Это утверждение, конечно, не находится в противоречии с тем, что между взаимным расположением различных частиц должна существовать в силу их взаимодействия некоторая корреляция; последняя означает, что если рассматривать, скажем, одновременно две частицы, то при заданном положении первой частицы различные положения второй будут не равновероятными.