5. Второе начало термодинамики. @

Т

Рис.2.7. Круговой процесс (цикл).

ермодинамический процесс называется обратимым, если он может происходить как в прямом, так и в обратном направлении, а в окружающей среде и в системе при этом не происходит никаких изменений. Всякий процесс, не удовлетворяющий этим условиям, является необратимым.

Если система, пройдя через ряд состояний, возвращается в исходное, то такой процесс называется круговым процессом, или циклом. Циклы лежат в основе работы всех тепловых машин – двигателей внутреннего сгорания, паровых и газовых турбин, холодильников. На диаграмме процессов в координатах (р,V) цикл изображается замкнутой кривой, где процесс 1-2 – процесс расширения газа, а 2-1 – процесс сжатия (рис. 2.7.). В результате кругового процесса система может теплоту как получать, так и отдавать. Обозначим полученное количество теплоты Q₁, а отданное - Q₂. Работа, совершаемая газом за цикл, определяется площадью фигуры, ограниченной кривой 1-2-1. В результате цикла система возвращается в исходное состояние и, следовательно, полное изменение внутренней энергии газа равно нулю, а работа, совершаемая за цикл, равна полученной теплоте Q = Q₁ ‑ Q₂ = А.

2. 6. Энтропия. @

Для описания термодинамических процессов одного первого начала термодинамики недостаточно, потому что оно не позволяет определять направление протекания процессов. Например, процесс самопроизвольной передачи теплоты от холодного тела горячему первым началом не запрещен, однако опыты показывают, что он не происходит. Итак, необходимо определить условия, при которых возможны превращения энергии из одного вида в другой, что позволило бы узнать направления протекания процессов.

В термодинамике, кроме внутренней энергии, существует еще несколько функций состояния системы. Особое место среди них занимает энтропия S. Энтропия как раз и является той величиной, которая позволяет прогнозировать возможность и направление протекания процессов. Энтропия (от греч.entropia–поворот, превращение)- понятие, впервые введенное в термодинамике для определения меры необратимого рассеяния энергии немецким физиком Р.Клаузиусом в 1865г.

Пусть δQ – элементарное количество теплоты, сообщаемое системе каким-либо нагревателем с постоянной температурой Т. Если процесс равновесный (обратимый), то температура системы тоже равна Т. Отношение δQ/Т называется приведенным количеством теплоты и равно изменению энтропии при обратимом процессе: δQ/Т = dS. Поскольку Т всегда > 0, из 2-ого начала видно, что δQ и dS имеют один и тот же знак. Это позволяет по характеру изменения энтропии судить о направлении процесса теплообмена и прогнозировать его возможность. При нагревании тела δQ > 0 и его энтропия возрастает (dS > 0), при охлаждении энтропия убывает. Если δQ=0 (обратимый адиабатический процесс), то dS = 0 и S = const, то есть энтропия остается постоянной.

Энтропия, подобно внутренней энергии, является функцией состояния системы. Энтропия системы равна сумме энтропий всех тел, входящих в систему. Для изолированной системы энтропия в любом обратимом процессе не изменяется и S = const. В термодинамике доказывается, что в необратимом процессе энтропия системы может только возрастать: dS 0. Объединяя два последних условия, мы получаем, что энтропия замкнутой системы может либо возрастать, либо оставаться постоянной: dS ≥ 0. Это неравенство Клаузиуса также является формулировкой второго начала термодинамики.

С точки зрения молекулярной физики, энтропия является мерой разупорядоченности системы, т.е. чем система более хаотична, тем ее энтропия выше. С этой точки зрения второе начало термодинамики утверждает, что в замкнутой системе, при отсутствии внешних воздействий любая система стремится перейти в состоянии максимальной разупорядоченности. Такое состояние является наиболее вероятным, поэтому энтропию S можно связать с вероятностью W состояния системы соотношением Больцмана S=k lnW, а второе начало объяснять стремлением системы находиться в наиболее вероятном состоянии. Явление увеличения беспорядка можно легко наблюдать при добавлении в воду капли туши. Если не воздействовать на такую систему извне, то через небольшое время тушь полностью перемешается с водой, обратный процесс – процесс собирания частичек туши в каплю, хотя в принципе он и возможен, никогда не наблюдается.