Rovnovážný stav soustavy

Po probrání základních typů termodynamických soustav a teoretického vysvětlení a popsání rovnovážného stavu ve třídě 14M SPŠST Panská jsem zadal žákům domácí úkol: „Na příští hodinu si přineste, prosím, do dvojice Metro!“

„Myslíte ty noviny?“ ujišťuje se někdo.

„Ano, pochopitelně, myslím ty noviny,“ uklidňuji. „Nemusí to být nutně Metro, ale počítejte s tím, že se ty noviny zničí. Proto si myslím, že Metro je optimální, když je zdarma.“

Na příští hodině žáci skutečně měli poměrně velké množství novin.

„Rozdělte se do dvou skupin, každá skupina se postaví na jednu stranu učebny a vytvoří si na osobu tak dvě až tři papírové koule, které musejí držet pohromadě,“ instruuji žáky. Ti se okamžitě pustili do příprav podle mých pokynů. Když je během minutky vše připraveno, pokračuji s pokyny dále.

„Teď dejte všechny novinové koule na jednu stranu a spočítejte papírové koule,“ říkám a ukazuji rukou tu skupinu, k níž se mají soustředit všechny koule. „Až odstartuji experiment, budete mít 15 sekund na to, abyste si přehazovali koule z jedné skupiny do druhé. Až ukončím kolo, bleskem spočítáte, kolik koulí máte ve skupině, a zapíšeme příslušné počty. Papírové koule budou simulovat molekuly v daném prostoru. Na začátku budou všechny na jednom místě a uvidíme, co se s nimi stane v průběhu experimentování.“

Vzhledem k tomu, že žáci neměli žádné dotazy, odpískal jsem první kolo. Papírové koule začaly létat vzduchem, žáci je bravurně chytali a vraceli zpět do druhé skupiny. Sem tam nějaká koule spadla na zem, ale s tím se počítalo. Další hvizd ukončil první kolo a žáci začali bleskově počítat koule. Při psaní počtu koulí v jednotlivých skupinách na tabuli jsme zjistili, že se sice dvě koule během házení narodily, ale to nás nerozhodilo. Pravděpodobně někdo na začátku špatně počítal.

Ve stejném duchu se neslo dalších několik kol. To, čeho si začali žáci všímat po napsání počtu koulí u obou skupin na tabuli, bylo to, k čemu jsem chtěl tento experiment použít. Počty koulí se začaly stabilizovat a rozložení koulí mezi oběma skupinami žáků bylo rovnoměrné. Každá skupina žáků tedy měla u sebe průměrně polovinu počtu všech koulí.

Po skončení experimentu jsme papírové koule naházeli do pytle na odpadky a experiment společně vyhodnotili. Postupně jsme se žáky došli k závěru: I kdyby byly molekuly v daném prostoru původně z nějakého důvodu lokalizovány na jednom místě (např. voňavka v místnosti), tak po jejich uvolnění (otevření lahvičky s voňavkou) se molekuly rovnoměrně rozmístí v celém prostoru.

„To tedy znamená, že kdybychom každý z možných stavů molekul - v našem případě koulí - realizovali a charakterizovali nějakou kuličkou umístěnou v osudí, pak když do osudí naslepo sáhneme, vytáhneme s největší pravděpodobností kuličku, která bude popisovat rovnovážný stav - tj. rovnoměrné rozdělení molekul v daném prostoru. Rovnovážný stav je tedy takový stav, který se vyskytuje v přírodě resp. v daném systému s nejvyšší pravděpodobností. A tohle je dobré si pamatovat!“

„Jak se strachovala jedna moje kamarádka ze střední,“ dodávám po zapsání příslušného závěru na tabuli, „těžko se může stát situace, kdy budete po místnosti běhat a shánět kyslík proto, že se všechny kyslíkové molekuly soustředí pod jedním stolem! Takový stav může pochopitelně nastat, ale jeho pravděpodobnost výskytu je velmi malá!“

Průběh experimentu je zobrazen na fotografiích.

Autor fotografií:

Jaroslav Reichl

© Jaroslav Reichl, 12. 3. 2017