Сформулируйте второй закон термодинамики кратко

Обновлено: 02.07.2024

Обратимым процессом называют процесс, который может протекать в обратном направлении, при этом система пройдет те же промежуточные состояния в обратном порядке. Особенностью обратимых процессов является то, что в результате полного кругового цикла система не теряет энергию и не происходит изменений в окружающей среде.

Реально проходящие процессы можно назвать обратимыми только условно. Реализовать обратимый процесс на практике невозможно, можно лишь приблизиться к этой модели.

Необратимые процессы не могут протекать в обратном порядке. Такие процессы протекают самопроизвольно только в одном направлении, и после окончания процесса система не может вернуться в начальное состояние через прежние промежуточные состояния.

Все процессы в природе — необратимые и сопровождаются диссипацией энергии. Примеры необратимых процессов:

• диффузия: если смешать тесто, то его невозможно будет разделить на ингредиенты;
• явления теплопроводности: если положить рядом два предмета, теплый и холодный, то теплый предмет будет нагревать холодный до тех пор, пока их температура не сравняется. Обратный процесс невозможен;
• процессы, сопровождающиеся трением между системой и окружающей средой; из-за трения происходит преобразование энергии: часть энергии системы превращается в тепловую и передается внешней среде.

Большое внимание уделяется обратимым процессам, так как их КПД значительно выше, чем КПД необратимых.

Второй закон термодинамики в различных формулировках

Второй закон или второе начало термодинамики — фундаментальный природный закон, который охватывает многочисленные явления окружающего мира.

Невозможен процесс, единственным результатом которого является превращение всей теплоты, полученной от нагревателя, в эквивалентную ей работу (Уильям Кельвин).

Невозможен вечный двигатель второго рода (формулировка Кельвина-Планка).

Невозможен процесс, единственным результатом которого является передача энергии в форме теплоты от холодного тела к горячему (Рудольф Клаузиус).

Энтропия замкнутой системы при любых происходящих в ней процессах может возрастать или оставаться неизменной, но не может убывать.

Статистическое объяснение второго закона термодинамики

Автор вероятностного или статистического объяснения — австрийский физик-теоретик Людвиг Больцман. Упрощенно оно выглядит так:

Если увеличить объем цилиндра с газом, то молекулы газа быстро заполнят весь объем. Газ больше не соберется в одной половине цилиндра самопроизвольно, потому что из всех возможных комбинаций расположения молекул вероятность именно такого ничтожно мала.

Понятие энтропии

Энтропия является функцией состояния. Ее физический смысл — мера беспорядка в системе: чем больше энтропия, тем больше беспорядок.

Обозначается латинской буквой S и измеряется в Д ж / К или энтропийных единицах (э. е.).

Энтропия определяет направление самопроизвольного процесса. В изолированной системе самопроизвольно происходят только те процессы, которые ведут к увеличению энтропии (необратимые), то есть Δ S > 0 . Если в системе идут равновесные процессы (обратимые), то энтропия не меняется, Δ S = 0 . В равновесных системах энтропия максимальна.

Если термодинамическая система переходит из одного состояния в другое, то изменение в энтропии системы рассчитывают по следующей формуле:

где Δ S — изменение энтропии,

Δ Q — количество теплоты, полученной системой,

Энтропию каждого из состояний системы можно рассчитать по формуле Больцмана:

где S — энтропия системы в определенном состоянии,

k — постоянная Больцмана, k = 1 , 38 · 10 - 23 Д ж / К ,

W — количество микросостояний, которыми реализуется данное макросостояние системы.

Энтропия при обратимых процессах в замкнутой системе

Замкнутой с точки зрения термодинамики является система, которая изолирована от внешних источников теплоты, как отдающих ей, так и поглощающих ее тепло.

Если в замкнутой системе происходит обратимый процесс, то изменение энтропии равно нулю, так как Δ S = Δ Q T , а Δ Q такой системы равно нулю.

При этом как внешние по отношению к системе тела могут совершать над ней работу, так и система может совершать работу над ними. Если включить эти тела в систему, то изменения в энтропии такой системы также будут равны нулю. Это происходит, потому что изменения в системе не сопровождаются изменением энтропии: система изначально не обменивалась теплотой с новыми частями, которые влияли на нее лишь механически.

Пусть тело, которое может расширяться или сжиматься, обменивается теплом с источниками теплоты: оно передает теплоту одному телу или получает теплоту от другого. Пусть также тело совершает работу над третьим телом или третье тело само совершает работу над ним (источник работы).

Рассмотрим изолированную систему из данного тела, источников теплоты и источников работы. Пусть в системе идут обратимые процессы: состояние тела обратимо изменяется из-за обмена теплотой с источниками теплоты и из-за работы, совершаемой источниками работы или над ними.

Совершение работы любого знака не ведет к изменению энтропии. Энтропия может меняться только при обмене теплотой между телом и источником теплоты. Если тело получило от источника теплоту, равную Δ Q т е л а , то его энтропия изменится на Δ Q т е л а Т т е л а , где Т т е л а — температура тела.

При этом источник теплоты теряет это же количество теплоты. Пусть количество потерянной теплоты будет Δ Q и с т . Δ Q т е л а = - Δ Q и с т . Энтропия источника изменится на Δ Q и с т Т и с т , где Т и с т — температура источника.

Происходящий процесс обмена теплотой является обратимым, при этом Т т е л а = Т и с т . Если бы температуры тела и источника теплоты не были равны, то происходил бы необратимый процесс теплопроводности. Поэтому Δ Q т е л а Т т е л а = - Δ Q и с т Т и с т . Δ S т е л а = - Δ S и с т .

Пусть изменение энтропии всей замкнутой системы будет Δ S . Δ S = Δ S т е л а + Δ S и с т = 0 . Это значит, что энтропия замкнутой системы не изменяется при любом обратимом процессе.

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.

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.

Как известно, первое начало термодинамики отображает закон сохранения энергии в термодинамических процессах, однако оно не дает представление о направлении протекания процессов. Помимо этого можно придумать множество термодинамических процессов, которые не будут противоречить первому началу, но в реальной действительности таких процессов не существует. Существование второго закона (начала) термодинамики вызвано необходимостью установить возможность того или иного процесса. Этот закон определяет направление течения термодинамических процессов. При формулировке второго начала термодинамики используют понятия энтропии и неравенство Клаузиуса. В таком случае второй закон термодинамики формулируется как закон роста энтропии замкнутой системы, если процесс является необратимым.

Формулировки второго закона термодинамики

Если в замкнутой системе происходит процесс, то энтропия этой системы не убывает. В виде формулы второй закон термодинамики записывают как:

где S – энтропия; L – путь по которому система переходит из одного состояния в другое.

В данной формулировке второго начала термодинамики следует обратить внимание на то, что рассматриваемая система должна быть замкнутой. В незамкнутой системе энтропия может вести себя как угодно (и убывать, и возрастать, и оставаться постоянной). Заметим, что энтропия не изменяется в замкнутой системе при обратимых процессах.

Рост энтропии в замкнутой системе при необратимых процессах — это переход термодинамической системы из состояний с меньшей вероятностью в состояния с большей вероятностью. Известная формула Больцмана дает статистическое толкование второго закона термодинамики:

где k – постоянная Больцмана; w – термодинамическая вероятность (количество способов при помощи которых, может реализовываться рассматриваемое макросостояние системы). Так, второй закон термодинамики является статистическим законом, который связан с описанием закономерностей теплового (хаотического) движения молекул, которые составляют термодинамическую систему.

Другие формулировки второго закона термодинамики

Существует ряд других формулировок второго закона термодинамики:

1) Формулировка Кельвина: Невозможно создать круговой процесс, результатом которого станет исключительно превращение теплоты, которое получено от нагревателя, в работу. Из данной формулировки второго закона термодинамики делают вывод о невозможности создания вечного двигателя второго рода. Это означает, что периодически действующая тепловая машина должна иметь нагреватель, рабочее тело и холодильник. При этом КПД идеальной тепловой машины не может быть больше, чем КПД цикла Карно:

где – температура нагревателя; — температура холодильника; ().

2) Формулировка Клаузиуса: Невозможно создать круговой процесс в результате которого будет происходить исключительно передача тепла от тела с меньшей температурой к телу с большей температурой.

Второй закон термодинамики отмечает существенное различие между двумя формами передачи энергии (работой и теплотой). Из этого закона следует, переход упорядоченного перемещение тела, как единого целого в хаотическое движение молекул тела и внешней среды – является необратимым процессом. При этом упорядоченное движение может переходить в хаотическое без дополнительных (компенсационных) процессов. Тогда как переход неупорядоченного движения в упорядоченное должен сопровождаться компенсирующим процессом.

Примеры решения задач

где — количество теплоты, которое рабочее тело получает от нагревателя в представленном цикле. В адиабатных процессах подвода и отвода тепла нет, получается, что тепло подводится только в процессе 1-2. — количество теплоты, которое отводится от газа в процессе 3-4.

Используя первое начало термодинамики, найдем количество тепла, полученное газом в процессе 1-2, который является изохорным:

так как изменения объема в данном процессе нет. Изменение внутренней энергии газа определим как:

По аналогии для изохорного процесса, в котором теплота отводится, имеем:

Подставим полученный результат (2.2 – 2.5) в выражение (2.1):

Используем уравнение адиабаты для нахождения разностей температур, и рассматривая рис.1. Для процесса 2-3 запишем:

Аналогично описываем процесс 4-1:

Используя выражения (2.7) и (2.8) найдем разность

Из формулы (2.9) получим, что:

– показатель адиабаты. Используя выражения (2.10) и (2.6), получаем, что КПД заданного процесса равно:

Читайте также:

  
• Сценарий вручения ключей от школьного автобуса
  
• Аттестация учителя логопеда доу на высшую категорию в 2020 году
  
• Необычные музеи мира для детей школьного возраста
  
• Критерии оценки работы тренеров спортивных школ
  
• Сценарий выпускного в детском саду по сказке маленький принц