5.8.13∗. В сосуд с водой при температуре $20^{\circ }C$ поместили 1 г льда, находящегося при температуре $0^{\circ }C$ в герметичной коробке. Определите, во сколько раз вероятность процесса превращения льда в воду больше вероятности обратного процесса — растаявшая вода в коробке вдруг начнет отдавать тепло окружающей воде и превратится в лед. Температура воды в сосуде при таянии льда практически не меняется.
Решение
Рассмотрим замкнутую систему, состоящую из двух частей: содержимого герметичной коробки (лед/вода) и окружающей воды в сосуде, которая выступает в роли термостата. Так как плавление льда происходит при постоянной температуре $T_{1}=0^{\circ }C=273^{\circ }K$, содержимое коробки получает тепло, и его энтропия увеличивается:
Окружающая вода отдает это же количество теплоты $Q$ при своей постоянной температуре $T_{2}=20^{\circ }C=293^{\circ }K$, поэтому ее энтропия уменьшается:
Вероятность того, что произойдет прямой процесс (лёд станет водой), пропорциональна тому, сколькими способами может существовать конечное состояние $\Omega _{2}$. Вероятность обратного процесса (растаявшая вода превратится в лёд за счет случайных флуктуаций) пропорциональна числу способов существования начального состояния $\Omega _{1}$. Следовательно: