Rovnovážný stav soustavy

Na začátku zapíše učitel do tabulky počet koulí k té skupině, která je má u sebe a zahájí vlastní experiment. Provedeme alespoň pět měření, tj. žáci si budou koule mezi sebou přehazovat v pěti po sobě jdoucích intervalech.

Vysvětlení a zhodnocení experimentu

Již během průběhu experimentu je ze zápisu na tabuli zřejmé, že se počty koulí v jednotlivých skupinách už po prvním experimentu vyrovnávají. Z původně nerovnovážného stavu, kterému odpovídalo počáteční rozložení koulí ve skupinách, přešla soustava (papírové koule v místnosti) do stavu rovnovážného, ve kterém je rozdělení koulí v obou skupinách přibližně rovnoměrné. A tento rovnovážný stav se opakuje během měření často – má tedy ze všech možných stavů nejvyšší pravděpodobnost výskytu. Pravděpodobnost, že by se při opakování popsaného experimentu všechny koule opět soustředily v jedné skupině, je velmi malá.

Je vhodné také upozornit i na úrovni střední školy na statistickou povahu zkoumání termodynamických dějů a jevů. Ačkoli se počty koulí v obou skupinách v průběhu experimentu vyrovnávají, nejsou jejich počty v každé skupině konstantní a rovné přesně polovině všech koulí (např. lze naměřit tyto počty: 15 – 15, 13 – 17, 14 – 16, 12 – 18 …). A to odpovídá statistickému rozložení pravděpodobnosti, pomocí níž se termodynamické děje a jevy popisují.

Přestože má provedený experiment své nedostatky (např. málo jeho opakování k vytvoření seriózní statistiky), přibližuje velmi názorně situaci, která odpovídá v úvodu zmíněnému příkladu se šířením vůně z voňavky místností. Původně byly všechny molekuly plynu, který má danou vůni, v uzavřené nádobce. Otevřeme-li nádobku, budou se molekuly vlivem neustálého chaotického pohybu šířit do prostoru místnosti: z původně nerovnovážného stavu přechází soustava (molekuly plynu) do rovnovážného stavu, ve kterém molekuly vyplňují prostor místnosti za daných podmínek rovnoměrně. Tento stav je ze všech možných nejpravděpodobnější. Pravděpodobnost, že se všechny molekuly vrátí zpět do lahvičky, je velmi malá.

Po skončení experimentu vyzveme žáky, aby učebnu uklidili a noviny vyhodili. Téma ke krátké diskuzi na téma třídění odpadků se přímo nabízí.