Question

Как можно объяснить явление диффузии, применив второе начало термодинамики?

Answer 1

Начнем с первой формулировки, принадлежащей немецкому физику Рудольфу Клаузиусу (см. Уравнение Клапейрона—Клаузиуса). Вот простая и наглядная иллюстрация этой формулировки: берем из холодильника кубик льда и кладем его в раковину. По прошествии некоторого времени кубик льда растает, потому что теплота от более теплого тела (воздуха) передастся более холодному (кубику льда). С точки зрения закона сохранения энергии, нет причин для того, чтобы тепловая энергия передавалась именно в таком направлении: даже если бы лед становился всё холоднее, а воздух всё теплее, закон сохранения энергии всё равно бы выполнялся. Тот факт, что этого не происходит, как раз и свидетельствует об уже упоминавшейся направленности физических процессов.

Почему именно так взаимодействуют лед и воздух, мы можем легко объяснить, рассматривая это взаимодействие на молекулярном уровне. Из молекулярно-кинетической теории мы знаем, что температура отражает скорость движения молекул тела — чем быстрее они движутся,тем выше температура тела. Значит, молекулы воздуха движутся быстрее молекул воды в кубике льда. При соударении молекулы воздуха с молекулой воды на поверхности льда, как подсказывает нам опыт, быстрые молекулы, в среднем, замедляются, а медленные ускоряются. Таким образом, молекулы воды начинают двигаться всё быстрее, или, что то же самое, температура льда повышается. Именно это мы имеем в виду, когда говорим, что тепло передается от воздуха ко льду. И в рамках этой модели первая формулировка второго начала термодинамики логически вытекает из поведения молекул

Answer 2

Диффузия — это процесс перемещения молекул, атомов или ионов из области с более высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией. Второе начало термодинамики, также известное как принцип энтропии, может быть использовано для объяснения данного явления.

Принцип энтропии утверждает, что в изолированной системе энтропия всегда стремится увеличиваться или оставаться постоянной в процессах, которые достигают равновесия. Энтропия является мерой беспорядка и распределения энергии в системе. Когда система достигает равновесия, распределение частиц и энергии становится более равномерным, и энтропия системы достигает максимального значения.

Теперь, применим принцип энтропии к явлению диффузии. Рассмотрим пример с двумя разными сосудами, объединенными отверстием, и каждый сосуд содержит газ с разной концентрацией. В начальный момент времени, если сосуды разделены мембраной и отверстие закрыто, концентрация газа в каждом сосуде будет различной.

В этом состоянии система не находится в равновесии, так как имеется различие в концентрации. Согласно принципу энтропии, система будет стремиться достичь равновесия, увеличивая энтропию. Это достигается через диффузию — молекулы будут перемещаться из области с более высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией. Как только система достигнет равновесия, концентрация газа станет одинаковой в обоих сосудах, и процесс диффузии прекратится.

Таким образом, явление диффузии может быть объяснено с помощью второго начала термодинамики, которое утверждает, что системы стремятся достигать равновесия, увеличивая энтропию, и диффузия является одним из процессов, которые способствуют этому стремлению к равновесию.