История открытия второго закона термодинамики кратко
Обновлено: 05.07.2024
Первый закон термодинамики – закон сохранения тепловых процессов, устанавливающий связь между количеством теплоты Q и изменением ∆ U внутренней энергии и работой А , совершенной над внешними телами:
Исходя из закона, энергия не может быть создана или уничтожена: производится процесс передачи от одной системы к другой, принимая другую форму. Еще не было получено процессов, нарушающих первый закон термодинамики. Рисунок 3 . 12 . 1 показывает устройства, противоречащие первому закону.
Рисунок 3 . 12 . 1 . Циклически работающие тепловые машины, запрещаемые первым законом термодинамики: 1 – вечный двигатель 1 рода, совершающий работу без потребления энергии извне; 2 – тепловая машина с коэффициентом полезного действия η > 1 .
Обратимый и необратимый процессы
Первый закон термодинамики не устанавливает направления тепловых процессов. Опыты показывают, что большинство тепловых процессов протекают в одном направлении. Их называют необратимыми.
Если имеется тепловой контакт двух тел с разными температурами, тогда направление теплового потока направляется от теплого к холодному. Самопроизвольной передачи тепла от тела с низкой температуры к телу с высокой не наблюдается. Отсюда следует, что теплообмен с конечной разностью температур считается необратимым.
Обратимым процессом называется переход системы из одного равновесного расстояния в другое, которые возможно проводить в обратном направлении в той же последовательности промежуточных равновесных состояний. Она вместе с окружающими телами возвращаются к исходному состоянию.
Если система находится в состоянии равновесия во время процесса, она называется квазистатической.
Когда рабочее тело тепловой машины контактирует с тепловым резервуаром, температура которого неизменна во время всего процесса, то только изотермический квазистатический процесс считается обратимым, так как протекает с бесконечно малой разницей температур рабочего резервуара. Если имеется два резервуара, причем с разными температурами, тогда обратимым путем можно провести процессы на двух изотермических участках.
Так как адиабатический процесс проводится в обоих направлениях (сжатие и расширение), наличие кругового процесса с двумя изотермами и двумя адиабатами (цикл Карно) говорит о том, что это и есть единственный обратимый круговой процесс, где рабочее тело контактируется с двумя тепловыми резервуарами. Остальные при наличии 2 тепловых резервуаров считаются необратимыми.
Превращение механической работы во внутреннюю энергию считаются необратимыми при наличии силы трения, диффузии в газах и жидкостях, а процесс перемешивания по причине начальной разности давлений и так далее. Все реальные процессы считаются необратимыми, даже если значения будут максимально приближены к обратимым. Обратимые рассматриваются как пример реальных процессов.
Первый закон термодинамики не различает их. Правило требует от термодинамического процесса определенного энергетического баланса, но не говорит о том, возможен ли он. Установка направления прохождения процесса определяется вторым законом термодинамики. Его формулировка может звучать как запрет на определенные термодинамические процессы.
Второй закон был трактован У. Кельвином в 1851 .
В циклически действующей тепловой машине невозможно прохождение процесса, единственным результатом которого было бы преобразование в механическую работу всего количества теплоты, полученного от единственного теплового резервуара.
Предположительно, машина с такими процессами могла бы получить название вечного двигателя второго рода.
При земных условиях могла бы быть отбита энергия Мирового океана и полностью превратилась бы в ее работу. Масса воды Мирового океана – 10 21 к г . Для его охлаждения хотя бы на 1 градус потребуется огромное количество энергии ≈ 10 24 Д ж , которое сравнимо с сжиганием 10 17 к г угля. Вырабатываемая энергия на Земле за год в 10 4 раз меньше. Отсюда и вывод о том, что вечный двигатель второго рода мало вероятен, как и двигатель первого, потому как оба они недопустимы, исходя из первого закона термодинамики.
Второй закон термодинамики
Формулировка 2 -го закона термодинамики была дана физиком Р. Клаузиусом.
Невозможно прохождение процесса, единственным результатом которого была бы передача энергии при помощи теплообмена от тела с низкой температуры к телу с более высокой.
Рисунок 3 . 12 . 2 объясняет процессы, которые запрещены вторым законом, но разрешены согласно первому. Они соответствуют трактовкам второго закона термодинамики.
Рисунок 3 . 12 . 2 . Процессы, не противоречащие первому закону термодинамики, но запрещаемые вторым законом: 1 – вечный двигатель второго рода; 2 – самопроизвольный переход тепла от холодного тела к более теплому (идеальная холодильная машина).
Формулировки обоих законов считаются эквивалентными.
Когда тело без помощи внешних сил переходит при теплообмене от холодного к горячему, то возникает мысль о возможности создания вечного двигателя второго рода. Если такая машина получит количество теплоты Q 1 от нагревателя и отдаст холодильнику Q 2 , тогда совершается работа A = Q 1 - Q 2 . Если бы Q 2 самопроизвольно перешло к нагревателю, то конечный результат тепловой машины и идеальной холодильной машины выглядело бы таким образом Q 1 - Q 2 . Причем сам переход происходил бы без изменений холодильника. Отсюда вывод – комбинация тепловой машины и идеальной холодильной машины равноценна двигателю второго рода.
Прослеживается связь между вторым законом термодинамики и необратимостью реальных тепловых процессов. Энергия теплового движения молекул отлична от механической, электрической и так далее. Она способна превратиться в другой вид энергии только частично. Поэтому при наличии энергии теплового движения молекул любой процесс считается необратимым, так как полностью в обратном направлении он не осуществим.
Свойство, относящееся к необратимым процессам, говорит о том, что они проходят в термодинамически неравновесной системе, а результат получается в виде замкнутой системы, приближающейся к состоянию термодинамического равновесия.
Теоремы Карно
Имеются теоремы Карно, которые могут быть доказаны, исходя из второго закона термодинамики.
КПД тепловой машины, работающей при данных значениях температур нагревателя холодильника, не может иметь значение больше, чем КПД действия машины, работающей согласно обратимому циклу Карно с теми же значениями температур нагревателя и холодильника.
КПД действия тепловой машины, работающей по циклу Карно, не зависит от рода рабочего тела, а только от температур нагревателя и холодильника.
Отсюда следует, что КПД действия машины с циклом Карно считается максимальным.
η = 1 - Q 2 Q 1 ≤ η m a x = η К а р н ю = 1 - T 2 T 1 .
Знак равенства данной записи говорит об обратимости процесса. Если машина работает по циклу Карно, тогда:
Q 2 Q 1 = T 2 T 1 или Q 2 T 2 = Q 1 T 1 .
Знаки Q 1 и Q 2 всегда отличаются независимо от направления цикла. Поэтому получаем:
Q 1 T 1 + Q 2 T 2 = 0 .
Рисунок 3 . 12 . 3 говорит о том, что данное соотношение обобщается и представляется в виде последовательности малых изометрических и адиабатических участков.
Рисунок 3 . 12 . 3 . Произвольный обратимый цикл как последовательность малых изотермических и адиабатических участков.
Полный обход замкнутого обратимого цикла имеет вид:
∑ ∆ Q i T i = 0 (обратимый цикл).
Откуда ∆ Q i = ∆ Q 1 i + ∆ Q 2 i – количество теплоты, полученное рабочим телом на двух изотермических участках с температурой T i . Чтобы данный цикл провести наоборот, нужно рабочее тело сконтактировать со многими тепловыми резервуарами с T i .
Энтропия
Отношение Q i T i получило название приведенного тепла. Формула показывает, что полное приведенное тепло на любом обратимом цикле равно нулю. Благодаря ей вводится еще одно понятие – энтропия, обозначаемая S . Ее открыл Р. Клаузиус в 1865 году.
При переходе из одного равновесного состояние в другое изменяется и ее энтропия. Разность энтропий двух состояний равняется приведенному теплу, полученному системой во время обратного перехода состояния.
∆ S = S 2 - S 1 = ∑ ( 1 ) ( 2 ) ∆ Q i о б р T .
Если рассматривается адиабатический процесс ∆ Q i = 0 , тогда энтропия S не изменяется.
Изменение энтропии ∆ S во время перехода в другое состояние фиксируется как формула:
∆ S = ∫ ( 1 ) ( 2 ) d Q о б р T .
Определение энтропии достаточно точное. Разность ∆ S двух состояний системы подразумевает физический смысл. Если имеется необратимый переход, а необходимо найти энтропию, тогда нужно придумать обратимый процесс, который свяжет начальное и конечное состояние. После этого перейти к нахождению приведенного тепла, полученного системой.
Рисунок 3 . 12 . 4 Модель энтропии и фазовых переходов.
Рисунок 3 . 12 . 5 показывает необратимый процесс расширения шага с отсутствием теплообмена. Равновесными считаются начальное и конечное значение, изображаемые на диаграмме p , V . Точки a и b соответствуют состояниям и располагаются на одной изотерме. Чтобы найти ∆ S , следует перейти к рассмотрению обратимого изотермического перехода из a в b . При изопроцессе газ получает определенное количество теплоты окружающих тел Q > 0 , тогда при необратимом расширении энтропия возрастет до ∆ S > 0 .
Еще одним примером необратимого процесса считается теплообмен при конечной разности температур. Рисунок 3 . 12 . 6 и показывает два тела, заключенные в адиабатическую оболочку, где начальные температуры обозначаются как T 1 и T 2 T 1 . Течение процесса теплообмена способствует выравниванию температур. Очевидно, что теплое тело отдает, а холодное принимает. Холодное тело превосходит по модулю приведенное тепло, отдаваемое горячим. Отсюда вывод – изменение энтропии в замкнутой системе необратимого процесса ∆ S > 0 .
Рисунок 3 . 12 . 6 . Теплообмен при конечной разности температур: a – начальное состояние; b – конечное состояние системы. Изменение энтропии Δ S > 0 .
Все самопроизвольно протекающие процессы в изолированных термодинамических процессах характеризуются ростом энтропии.
Обратимые процессы имеют постоянную энтропию ∆ S ≥ 0 . Соотношение называют законом возрастания энтропии.
При любых процессах, протекающих в термодинамических изолированных системах, энтропия либо не меняется, либо возрастает.
Наличие энтропии говорит о самопроизвольно протекающем процессе, а ее рост – приближение всей системы к термодинамическому равновесию, где S принимает максимальное значение. Возрастание энтропии можно трактовать как формулировку второго закона термодинамики.
В 1878 году Л. Больцман дал вероятностное определение понятию энтропии, так как было предложено рассматривать ее в качестве меры статистического беспорядка замкнутой термодинамической системы. Все самопроизвольно протекающие процессы в таких системах приближают ее к равновесному состоянию, так как сопровождаются ростом энтропии, и направляют в сторону увеличения вероятности состояния.
Если состояние макроскопической системы содержит большое число частиц, то его реализация может предусматривать несколько способов.
Термодинамическая вероятность W системы – это количество способов, которыми реализуется данное состояние макроскопической системы, макросостояний, осуществляющих его.
Из определения имеем, что W ≫ 1 .
При наличии 1 м о л ь газа в емкости существует число N способов размещения молекулы по двум половинам емкости: N = 2 N А , где N А - число Авогадро. Каждое из них – это микросостояние.
Одно из них соответствует случаю с молекулами, собранными в одной половине сосуда. Вероятность такого события приравнивается к нулю. Большое количество состояний соответствует такому, где молекулы распределяются равномерно по всей площади емкости.
Тогда равновесное состояние является наиболее вероятным.
Равновесное состояние считается состоянием наибольшего беспорядка в термодинамической системе с максимальной энтропией.
Исходя из трактовок Больцмана, энтропия S и термодинамическая вероятность W связаны:
S = k · ln W , где k = 1 , 38 · 10 - 23 Д ж / К является постоянная Больцмана. Отсюда следует, что определение энтропии определяется логарифмом числа микросостояний. Именно они способствуют реализации данного макросостояния. Тогда энтропия может быть рассмотрена в качестве меры вероятности состояния термодинамической системы.
Вероятностная трактовка второго закона термодинамики допускает самопроизвольное отклонение системы от состояния термодинамического равновесия. Их называют флуктуациями.
В системах с большим числом частиц отклонения от состояния равновесия имеют достаточно малую вероятность на существование.
Когда вы изучаете второй закон термодинамики , на уроке или лекции вам скажут что-то похожее на такую фразу: "невозможна самопроизвольная передача теплоты от холодного тела к теплому" . В общем-то, нет тут ничего, что можно не понять. Всё это напрямую следует из логики жизни. Но стоит вам потом открыть для повторения учебник, то глаза на лоб полезут. Собственно, тут уместен демотиватор:
Формулировка закона записана таким образом, что разобраться со всеми этими тонкостями кажется невозможным. Что же, давайте вникнем, как простая фраза обрастает столькими сложными допущениями и уточнениями и для чего вообще нужно изучать этот закон.
Как вы наверное заметили, второй закон термодинамики всегда изучается вместе с первым. При этом первый закон описывает "соотношения" в системе, а второй - описывает направления процессов . Но зачем изучать направления процессов?
Про смысл второго закона и о направленности процессов
Вроде как это очевидные вещи и сложно себе представить, что холодная кружка будет передавать теплоту горячему чайнику. На практике этот закон напрямую связан с тепловыми двигателями и если разрисовать направления процесса в ДВС, то получится, что всегда второй закон будет выполняться. Благодаря пониманию направлений получилось нарисовать например цикл Карно:
Но обозначение процесса на уровне закона всё же требуется! Ведь с точки зрения закона сохранения энергии совершенно безразлично, "в какую сторону" будет протекать процесс .
Сформулированный закон позволит предсказать поведение теплового двигателя или другой системы. Необратимость процессов подчеркивается этим законом .
Для ученого это означает, что не имеет смысла работать над заведомо провальными гипотезами . Скажем, второй закон термодинамики напрочь уничтожает любые попытки сделать вечный двигатель, так как большинство известных моделей не учитывают наиболее вероятное состояние системы. Ну а для школьников и студентов - это лишняя головная боль и они не понимают, как применить такой закон и зачем изучать очевидное :) Но именно глубина закона определяет сложность формулировок в более серьезной литературе.
Второй закон - закон об основе мироздания
При этом отметим, что слишком однобоко рассматривать второе начало термодинамики только лишь как обозначение направления передачи тепловой энергии . Когда Карно рассуждал про второй закон он явно рассматривал его куда более глубоко. Ученые было взялись анализировать направленность процессов, а мысль пришла к тому, что стало неочевидным их реальное направление и не возможно было объяснить причину такой направленности.
Собственно получилось, что это один из главных законов мироздания и он не может быть простым. Лишь только значительное его упрощение позволяет писать про это в учебниках для 9 класса.
Если сформулировать закон "правильнее" то получится что-то такое :
Если в замкнутой системе происходит процесс, то энтропия этой системы не убывает. Или что система всегда происходит из менее вероятного состояния в более вероятное.
Тут добавилось волшебное слово "энтропия". В простонародье это мера хаоса системы.
Что такое энтропия и причем тут второй закон?
Энтропия - это то, насколько мы мало знаем о состоянии системы. Очень глубокое понятие, которое подчеркивает отсутствие глубокого понимания многих процессов. Скажем, очень образно. Мы можем предположить, что состояние газа зависит от двух параметров, которые нам известны. Но на деле мы видим, что в дело при некоторых условиях вмешивается ещё что-то и газ ведет себя не совсем объяснимо. Знаний не хватает. Невозможно внезапно получить больше информации о микросостояниях, чем у нас есть или было.
Мы не понимаем что вмешалось, так как знания наши о системе пока ограничены всего лишь двумя контролируемыми понятиями. Остается жонглировать известными параметрами и на их базе строить понимание всего процесса. И чем больше будет таких моментов, тем будет выше энтропия всей изучаемой системы. Энтропия есть свойство не самой системы, а нашего знания об этой системе. Физически никакой энтропии не существует. Это удобный способ описать процесс.
Ну а из второго закона следует, что если в системе происходит тепловой процесс, то энтропия гарантированно возрастёт . Это опять кажется бесполезным, но на уровне разработки нового двигателя знания крайне полезны? Почем?! Потому что чем больше будет тепловых процессов, тем выше будет энтропия каждый раз :)! Получается, что нужно уменьшать количество передач тепла для сокращения рассеивания энергий. В том числе и тех ,которые мы не способны описать на данный момент.
Очень хорошо этот момент расписывается тут . Почитайте про равновероятное состояние газа в примере про коробки. Лучше и не скажешь.
Но чтобы заложить какие-то основы логично свести все сложные формулировки и рассуждения ученых, которые, кстати говоря, приведены в википедии , к чему-то более понятному большинству изучающих или уменьшить степень энтропии закона :).
Три главных следствия, которых достаточно для сдачи экзамена
Получится три главных постулата:
1. Передача теплоты от холодного тела к теплому невозможна
Это то самое обстоятельство, которое кажется очевидным, но таковым он остаётся только до начала анализа работы тепловой системы. Оно убережет от заведомом провальных гипотез. Все тепловые процессы в нашей вселенной идут в одну сторону и та же теплопроводность - передача тепла от более нагретых участков менее нагретым.
2. Никакой двигатель не может преобразовывать теплоту в работу со стопроцентной эффективностью
Тут речь про старый добрый КПД (коэффициент полезного действия), который тоже никогда не может быть равен единице, потому что невозможна термодинамическая система, которая будет полностью изолирована.
Напомню, что КПД - это то, насколько много полученной энергии получилось превратить в полезную работу. Например, кипятим мы в бочку воду. Превращаем эту воду в пар. Паром крутим турбину с генератором. Но костёр не только нагревает бочку и кипятит воду, он ещё нагревает корпус самой бочки, который охлаждается окружающим воздухом и греет всё вокруг. В итоге, если мы возьмем 10 кг дров, то в "реальную работу" пойдет только 6 кг дров. Остальное потратим на потери.
Всегда тепло будет рассеиваться на что-то, ну а для КПД=1, нужно, чтобы не существовало бы первого постулата и холодные участки могли нагревать ещё сильнее горячие.
3. В замкнутой системе энтропия не может убывать
Ну и вспомним про энтропию, которая является нашим уровнем незнания о значимых факторах, влияющих на работу системы. Значит их нельзя исключить и получить КПД=1, а при работе системы энтропия ещё будет и нарастать или, как минимум, сохраняться на постоянном уровне.
Что такое энтропия мы разбирались выше, а вот про замкнутую систему отметим - что это система, которая не может обменивать энергией со своим окружением.
Знаний этих основ достаточно для инженера, школьника или студента . Остальное - удел интересующихся вопросом или теоретической физики. Проще всего тут инженеру :) Ведь что для нас важно? Есть огонь, который нагревает паровой котел, это происходит в нужном нам направлении, установленным вторым законом. Исходя из второго же закона мы не сможем сделать из этого вечный двигатель, ну а приделать шатун к этой штуке и крутить коленвал вполне можно!
Полезная книга от меня по основам физики (механики)
Обязательно оцените статью лайком, напишите комментарий и подпишитесь на проект! Это очень важно для развития канала.
Природным процессам свойственна направленность и необратимость, однако в большинстве законов, описанных в этой книге, это не находит отражения — по крайней мере, явного. Разбить яйца и сделать яичницу не сложно, воссоздать же сырые яйца из готовой яичницы — невозможно. Запах из открытого флакона духов наполняет комнату — однако обратно во флакон его не соберешь. И причина такой необратимости процессов, происходящих во Вселенной, кроется во втором начале термодинамики, который, при всей его кажущейся простоте, является одним из самых трудных и часто неверно понимаемых законов классической физики.
Прежде всего, у этого закона имеется как минимум три равноправные формулировки, предложенные в разные годы физиками разных поколений. Может показаться, что между ними нет ничего общего, однако все они логически эквивалентны между собой. Из любой формулировки второго начала математически выводятся две другие.
Начнем с первой формулировки, принадлежащей немецкому физику Рудольфу Клаузиусу (см. Уравнение Клапейрона—Клаузиуса). Вот простая и наглядная иллюстрация этой формулировки: берем из холодильника кубик льда и кладем его в раковину. По прошествии некоторого времени кубик льда растает, потому что теплота от более теплого тела (воздуха) передастся более холодному (кубику льда). С точки зрения закона сохранения энергии, нет причин для того, чтобы тепловая энергия передавалась именно в таком направлении: даже если бы лед становился всё холоднее, а воздух всё теплее, закон сохранения энергии всё равно бы выполнялся. Тот факт, что этого не происходит, как раз и свидетельствует об уже упоминавшейся направленности физических процессов.
Почему именно так взаимодействуют лед и воздух, мы можем легко объяснить, рассматривая это взаимодействие на молекулярном уровне. Из молекулярно-кинетической теории мы знаем, что температура отражает скорость движения молекул тела — чем быстрее они движутся,тем выше температура тела. Значит, молекулы воздуха движутся быстрее молекул воды в кубике льда. При соударении молекулы воздуха с молекулой воды на поверхности льда, как подсказывает нам опыт, быстрые молекулы, в среднем, замедляются, а медленные ускоряются. Таким образом, молекулы воды начинают двигаться всё быстрее, или, что то же самое, температура льда повышается. Именно это мы имеем в виду, когда говорим, что тепло передается от воздуха ко льду. И в рамках этой модели первая формулировка второго начала термодинамики логически вытекает из поведения молекул.
При перемещении какого-либо тела на какое-либо расстояние под действием определенной силы совершается работа, и различные формы энергии как раз и выражают способность системы произвести определенную работу. Поскольку теплота, отражающая кинетическую энергию молекул, представляет собой одну из форм энергии, она тоже может быть преобразована в работу. Но опять мы имеем дело с направленным процессом. Перевести работу в теплоту можно со стопроцентной эффективностью — вы делаете это каждый раз, когда нажимаете на педаль тормоза в своем автомобиле: вся кинетическая энергия движения вашего автомобиля плюс затраченная вами энергия силы нажатия на педаль через работу вашей ноги и гидравлической системы тормозов полностью превращается в теплоту, выделяющуюся в процессе трения колодок о тормозные диски. Вторая формулировка второго начала термодинамики утверждает, что обратный процесс невозможен. Сколько ни пытайтесь всю тепловую энергию превратить в работу — тепловые потери в окружающую среду неизбежны.
Проиллюстрировать вторую формулировку в действии несложно. Представьте себе цилиндр двигателя внутреннего сгорания вашего автомобиля. В него впрыскивается высокооктановая топливная смесь, которая сжимается поршнем до высокого давления, после чего она воспламеняется в малом зазоре между головкой блока цилиндров и плотно пригнанным к стенкам цилиндра свободно ходящим поршнем. При взрывном сгорании смеси выделяется значительное количество теплоты в виде раскаленных и расширяющихся продуктов сгорания, давление которых толкает поршень вниз. В идеальном мире мы могли бы достичь КПД использования выделившейся тепловой энергии на уровне 100%, полностью переведя ее в механическую работу поршня.
В реальном мире никто и никогда не соберет такого идеального двигателя по двум причинам. Во-первых, стенки цилиндра неизбежно нагреваются в результате горения рабочей смеси, часть теплоты теряется вхолостую и отводится через систему охлаждения в окружающую среду. Во-вторых, часть работы неизбежно уходит на преодоление силы трения, в результате чего, опять же, нагреваются стенки цилиндров — еще одна тепловая потеря (даже при самом хорошем моторном масле). В-третьих, цилиндру нужно вернуться к исходной точке сжатия, а это также работа по преодолению трения с выделением теплоты, затраченная вхолостую. В итоге мы имеем то, что имеем, а именно: самые совершенные тепловые двигатели работают с КПД не более 50%.
Такая трактовка второго начала термодинамики заложена в принципе Карно, который назван так в честь французского военного инженера Сади Карно. Она сформулирована раньше других и оказала огромное влияние на развитие инженерной техники на многие поколения вперед, хотя и носит прикладной характер. Огромное значение она приобретает с точки зрения современной энергетики — важнейшей отрасли любой национальной экономики. Сегодня, сталкиваясь с дефицитом топливных ресурсов, человечество, тем не менее, вынуждено мириться с тем, что КПД, например, ТЭЦ, работающих на угле или мазуте, не превышает 30-35% — то есть, две трети топлива сжигается впустую, точнее расходуется на подогрев атмосферы — и это перед лицом угрозы глобального потепления. Вот почему современные ТЭЦ легко узнать по колоссальным башням-градирням — именно в них остужается вода, охлаждающая турбины электрогенераторов, и избытки тепловой энергии выбрасываются в окружающую среду. И столь низкая эффективность использования ресурсов — не вина, а беда современных инженеров-конструкторов: они и без того выжимают близко к максимуму того, что позволяет цикл Карно. Те же, кто заявляет, что нашел решение, позволяющее резко сократить тепловые потери энергии (например, сконструировал вечный двигатель), утверждают тем самым, что они перехитрили второе начало термодинамики. С тем же успехом они могли бы утверждать, что знают, как сделать так, чтобы кубик льда в раковине не таял при комнатной температуре, а, наоборот, еще больше охлаждался, нагревая при этом воздух.
Третья формулировка второго начала термодинамики, приписываемая обычно австрийскому физику Людвигу Больцману (см. Постоянная Больцмана), пожалуй, наиболее известна. Энтропия — это показатель неупорядоченности системы. Чем выше энтропия — тем хаотичнее движение материальных частиц, составляющих систему. Больцману удалось разработать формулу для прямого математического описания степени упорядоченности системы. Давайте посмотрим, как она работает, на примере воды. В жидком состоянии вода представляет собой довольно неупорядоченную структуру, поскольку молекулы свободно перемещаются друг относительно друга, и пространственная ориентация у них может быть произвольной. Другое дело лед — в нем молекулы воды упорядочены, будучи включенными в кристаллическую решетку. Формулировка второго начала термодинамики Больцмана, условно говоря, гласит, что лед, растаяв и превратившись в воду (процесс, сопровождающийся снижением степени упорядоченности и повышением энтропии) сам по себе никогда из воды не возродится. И снова мы видим пример необратимого природного физического явления.
Тут важно понимать, что речь не идет о том, что в этой формулировке второе начало термодинамики провозглашает, что энтропия не может снижаться нигде и никогда. В конце концов, растопленный лед можно поместить обратно в морозильную камеру и снова заморозить. Смысл в том, что энтропия не может уменьшаться в замкнутых системах — то есть, в системах, не получающих внешней энергетической подпитки. Работающий холодильник не является изолированной замкнутой системой, поскольку он подключен к сети электропитания и получает энергию извне — в конечном счете, от электростанций, ее производящих. В данном случае замкнутой системой будет холодильник, плюс проводка, плюс местная трансформаторная подстанция, плюс единая сеть энергоснабжения, плюс электростанции. И поскольку рост энтропии в результате беспорядочного испарения из градирен электростанции многократно превышает снижение энтропии за счет кристаллизации льда в вашем холодильнике, второе начало термодинамики ни в коей мере не нарушается.
А это, я полагаю, приводит еще к одной формулировке второго начала: Холодильник не работает, если он не включен в розетку.
ВТОРО́Е НАЧА́ЛО ТЕРМОДИНА́МИКИ, один из осн. законов термодинамики, устанавливающий необратимость реальных термодинамич. процессов. В. н. т. сформулировано как закон природы H. Л. С. Карно в 1824, P. Клаузиусом в 1850 и У. Томсоном (Кельвином) в 1851 в различных, но эквивалентных формулировках. В. н. т. в формулировке Клаузиуса утверждает, что процесс, при котором не происходит никаких изменений, кроме передачи теплоты от горячего тела к холодному, необратим, т. е. теплота не может самопроизвольно переходить от более холодного тела к более горячему (принцип Клаузиуса). Согласно формулировке Томсона, процесс, при котором работа переходит в теплоту без к.-л. иных изменений состояния системы, необратим, т. е. невозможно полностью преобразовать в работу всю теплоту, взятую от тела, не производя никаких др. изменений состояния системы (принцип Tомсона). Принцип Томсона эквивалентен утверждению о невозможности вечного двигателя 2-го рода. В. н. т. можно сформулировать также в виде принципа Каратеодори: вблизи любого состояния термодинамич. равновесия и сколь угодно близко к нему существует состояние, в которое нельзя попасть при помощи адиабатич. процесса. Из невозможности вечного двигателя 2-го рода следует Карно теорема . На основании теоремы Карно удаётся построить шкалу абсолютной температуры. Рассматривая циклич. процесс, при котором система получает ( $δQ>0$ ) или отдаёт ( $δQ ) малые количества теплоты $δQ $ при абсолютной температуре $T$, можно сформулировать В. н. т. в виде неравенства Клаузиуса: $\ointδQ/T⩽ 0$ , где интеграл берётся по замкнутому циклу. Знак равенства (здесь и ниже) относится к обратимым (квазистатическим) процессам (равенство Клаузиуса). Из равенства Клаузиуса следует, что для обратимого процесса $dS=δQ/T $ есть полный дифференциал функции состояния $S$ , называемой энтропией . Поэтому В. н. т. можно сформулировать в виде неравенства в дифференциальной форме: $dS⩾δQ/T$ , или в интегральной форме: $S_B-S_A ⩾ \int_A^B δQ/T$ (где $S_A$ и $S_B$ – энтропии начального и конечного состояний системы). Из этого неравенства следует, что для адиабатически изолированной системы ( $δQ=0$ ) при необратимых процессах энтропия возрастает ( $dS>0$ ), а при обратимых – остаётся неизменной ( $dS=0$ ). Если учесть первое начало термодинамики, согласно которому $δQ=dU+pdV$ ( $U$ – внутренняя энергия, $p$ – давление, $V$ – объём), то В. н. т. можно сформулировать в виде неравенства: $TdS-dU-pdV⩾0$ .
Читайте также: