2.1 Больцман формуласы.

Статистикалық тепе-теңдік күйге тұйық жүйе өздігінен өтеді.Бұл үрдіс жүйе микробөлшектерінің қозғалысы және қзара әсері нәтижесінде болады.Бұл үрдіс энергиялары бірдей, бірақ басқа параметрлері әртүрлі болатын тепе-теңсіз микроскопиялық күйлерден біртіндеп өтуі арқылы іске асады деп есептеуге болады.Мысалы, көлемң, тығыздығы, температурасы немесе басқа параметрлерінің өзгерісін айтуымызға болады.

Тұйық жүйенің теңбе-тең күйден ауытқу шамасын және жүйедегі үрдістердің бағытын сипаттайтын шаманы табу қажет.

Ең алдымен макрокүйлер дегеніміз не?Газ күйін алар болсақ, берілген энергия, температура және тағы да басқа параметрлермен сипатталатын күйлер жиыны- макроскопиялық күй немесе макрокүй деп аталады.Бұндай макрокүйге сәйкес келетін газдар атомдары немесе молекулалары жүйесінің микроскопиялық күйлері көп.Олардың әрқайсысын микрокүй деп атайды.Олардың энергиялары, қысымдары, температуралары және көлемдері бірдей болғанмен, олар бірдей емес.Олардың бір-бірінен айырмашылығы- молекулаларының орналасуында және жылдамдықтарының әртүрлілігінде.

Айталық, газ ыдыстың бір жартысын толтыратын макроскопиялық күйді қарастырсақ, онда оған жарасымды микрокүйлер ішінде бірде-бірінде екінші жартысында молекула бар деп есептемеу керек.Ойша сондай микрокүйлер санын есептеу мүмкін делік.Бұл сан өте үлкен мөлшерде болады.Демек, осы макрокүйлердің ықтималдығы микрокүйлер санына байланысты болуы керек.Осындай шаманы макрокүйлердің ықтималдығының сипаттамасы ретінде енгізуге болады.Берілген макрокүйге сәйкес келетін микрокүйлер саны W_T=Ω макрокүйдің термодинамикалық ықтималдығы деп аталады.

Бұл шама өте үлкен.Оны статистикалық ықтималдықтардан айырмашылығы: барлық макрокүйлердің термодинамикалық ықтималдықтарының қосындысы бірге тең емес.Яғни, термодинамикалық ықтималдық статистикалық ықтималдыққа кері шама.

Тұтас жүйенің микрокүйін алу үшін бөліктердің белгілі бір микрокүйлеріндегі жиынын қабылдау керек.Бұл микрокүйінің ықтималдығы p=p_1*p₂*….p_n

Бөліктердің микрокүйлердің ықтималдықтарының көбейтіндісіне тең.Микрокүйлердің саны көп болғанмен, бұндай көбейтінділер сан жағынан тең.Бұл- жүйе микрокүйлерінің ықтималдықтарының өзара теңдігін білідіреді.Бұдан шығатын салдар: термодинамикалық ықтималдықтардың қатынасы макрокүйлердің іске асу ықтималдықтарын сипаттайды.Бұл қорытындылар дискретті күйлер, дискретті энергия деңгейлері туралы айтқанда ғана емес, үздіксіз энергия күйлері туралы айтқанда да дұрыс болады.

Бұдан классикалық салада термодинамикалық ықтималдықтың өлшемі фазалық көлем болатындығы көрінеді.

Көп бөлшектерден тұратын жүйелердің бір макрокүйі ақиқат болып келеді, ал басқа макрокүйлердің ықтималдықтары нөлге жуық.Сондықтан да кез-келген тұйық жүйе берілген күйге орнығады да, өз бетімен бұл күйден шыға алмайды:

«Теңбе-тең күйдің термодинамикалық ықтималдығы максималды».

Бұл макрокүйде жүйе барлық параметрлері бойынша біртекті болады.Тепе-теңдікте ішкі қозғалыс толастамайды, бірақ микрокүйлер ауысып тұрғанмен, макрокүй өзгермейді.Тәуелсіз жүйелер үшін термодинамикалық ықтималдық мультипликативті шама болып табылады.

Энтропия құбылысы тек физикада ғана жүзеге асып қоймай, сонымен қатар көптеген ғылым салаларында, күнделікті тұрмыс- тіршіліктеде байқауымызға болады.

ХХІ ғасыр-білім мен ғылымның ғасыры.Ең бастысы бір орында тұрып қалмай, ілгері дамып, алға басып жүру керек.Сол себепті де біздің елімізде білім беру жүйесінде көптеген өзгерістер енгізіліп жатыр.Әдіснама, білім беруде қолданылатын әдіс-тәсілдер, технологиялар жаңартылып жатыр.Осы көштен қалмай, физикада даму үрдісінде.

Қазіргі заманғы физика- кванттық механика, статистикалық физика және элементар бөлшектер мен жоғары энергияның негізінде құрылып жатқан ғылым саласы.Солардың қатарында термодинамикада белсенді түрде дамуда.

Мектептің оқу бағдарламасына тек термодинамика туралы түсінік беріп қана қоймай, оның статистикалық ерекшеліктерін де қосымша сабақ ретінде енгізу қажет.Сол ерекшеліктерін білу арқылы оқу мен оқыту қарқынды дамып, өзінің нәтижесін береді.

Энтропия ұғымы дәстүрлі түрде мектеп оқушыларына ауыр тақырып ретінде қаралып, оқушылардың білім деңгейін көтеруде ол мүлдем дерлік оқытылмаған. Енді оны оқу бағдарламасының қатарына қосып, оны оқып-зерттеп білетін уақыт келді.Кейбір деректерге сүйенсек, ішкі энергия ұғымы да өткен ғасырдың 60-шы жылдарына дейін де оқытылмапты.

Энтропияның түсінігі қаншалықты күрделі болса, оны оқыту әдістемесі де соғұрлым күрделірек. Ең алдымен туындайтын қиындық-энтропияны түсіну.Бұл мәселені шешу үшін біз мына нәрсені білуіміз керек.Энтропия термодинамикада кездесетін әр түрлі физикалық шамалардан ( қысымнан, ішкі энергиядан, көлемнен) айырмашылығы зор.Өйткені энтропия қарастырылып отырған жүйенің қасиеті емес, ол біздің жүйені сыртқы және ішкі жағынан қалай қарайтынымызға байланысты.

Энтропия- жүйеге қатысты болашақта болатын өзгерісті ықтималдықпен болжау;заттың қандай нәрсеге айналуындағы белгісіздік.

Орта мектепте 8- сыныпта оқытылатын термодинамика және жылулық құбылыстар тарауының қатарына энтропия туралы аздаған материалдар қарапайым түрде берілуі қажет.Оңайдан қиынға, жалқыдан жалпыға сияқты жоғары сыныптарда энтропияның қасиеттерін, есептелу формуласы үйретіліп, зертханалық жұмыстар жүргізілуі керек.Бұл тек болжам.Егер де шынымен де энтропияны оқытуды мектептен бастасақ, онда төмендегідей әдістер қолдануымыз керек:

1.Термодинамика бөліміне изотермиялық үрдіс туралы мәліметтерді жоғары деңгейде енгізсе, онда энтропия түсінігін меңгеруі мүмкін,

2.Энтропия түсінігін ықтималдық тұрғысынан қарастыратын болса, білім алушылардың термодинамика және молекулярлық физика салаларынан білімдері жоғары болуы мүмкін.

3. Энтропия түсінігін ықтималдық тұрғысынан қарастыратын болсақ, онда білім алушылардың сыни тұрғыдан ойлауы қазіргі ғылым стилінің қалыптасуына септігін тигізеді.

Дегенмен, энтропияның мағынасын кеңінен ашу үшін оны тек термодинамикалық немесе тек статикалық тұрғыдан қарастыру жеткіліксіз.Сол себепті энтропияға кіріспе екіжақты көзқараспен жүргізілген жөн.

Алайда тақырыптың ауырлығын ескере отырып, бұл әдісті барлық мектептерде қолдану мүмкін емес.Сондықтан арнайы тереңдетіліп оқылатын мектеп сыныптарында энтропия міндетті түрде оқытылуы қажет.Бұл- физикадағы термодинамика және статикалық физика салаларын меңгерудің алғашқы негізі болып табылады.

Термодинамиканың екінші бастамасын энтропия тақырыбы көмегімен Нернст теоремасының кіріспесімен сабақтастыруға болады.Ұсынылып отырған әдіс-тәсілдер мектеп бағдарламасындағы термодинамика бөлімін толығымен меңгеріп шығуға мүмкіндік береді.