Второй закон термодинамики

Термодинамика, основные законы :
Нулевой закон термодинамики
Первый закон термодинамики
Второй закон термодинамики
Третий закон термодинамики

Второй закон термодинамики - один из основных законов физики, закон о неспадання энтропии в изолированной системе. Он накладывает ограничения на количество полезной работы, которую может осуществить тепловой двигатель. На основополагающем уровне второй закон термодинамики определяет направление протекания процессов в физической системе - от порядка к беспорядка. Существует много различных формулировок второго закона термодинамики, в целом эквивалентных между собой.


1. Формулировка

Для системы с постоянной температурой существует определенная функция состояния S - энтропия, которая определяется таким образом, что

1. Адиабатический переход из равновесного состояния A в равновесное состояние B возможен только тогда, когда

S (B) \ ge S (A) .

2. Прирост энтропии в медленном квазистатическом процессе равна

dS = \ frac {\ delta Q} {T} ,

где T - температура.


2. Альтернативные формулировки

Приведенная формулировка очень формальное. Существует очень много альтернативных формулировок второго закона термодинамики. Например, Планк предложил такую ​​формулировку:

Невозможно построить машину, которая бы работала циклически, охлаждающей же источник тепла или поднимала вверх грузы, не вызывая при этом никаких изменений в природе.

Уильям Томсон

Невозможно превратить теплоту в работу, не выполняя никакой другой действия кроме охлаждения системы.

Людвиг Больцман

Природа стремится перейти из состояний с меньшей вероятностью реализации в состояния с большей вероятностью реализации.

Вильгельм Оствальд

Невозможно создать вечный двигатель 2-го рода

Рудольф Клаузиус :

Самопроизвольный переход тепла от менее нагретого к более нагретого невозможен

Сади Карно

Там где есть разница температур там возможно выполнение работы

Распространены следующие формулировки:

Невозможно построить вечный двигатель второго рода.

Невозможно передать тепло от холодного тела к горячему, не затратив при этом энергию.

Каждая система стремится перейти от порядка к беспорядка.


3. Историческая справка

Второй закон термодинамики был сформульваний в середине 19-го века, в те времена, когда создавалась теоретическая основа для конструирования и построения тепловых машин. Опыты Майера и Джоуля установили эквивалентность между тепловой и механической энергиями ( первый закон термодинамики). Возник вопрос об эффективности тепловых машин. Экспериментальные исследования свидетельствовали о том, что часть тепла обязательно теряется при работе любой машины.

В 1850-х, 1860-х годах Клаузиус в ряде публикаций разработал понятие энтропии. В 1865 году он наконец-то выбрал для нового понятия имя. Эти публикации доказали также, что тепло невозможно полностью превратить в полезную работу, сформулировав таким образом второй закон термодинамики.

Статистическую интерпретацию второму закону термодинамики дал Больцман, введя новое определение для энтропии, которое базировалось на микроскопических атомистических представлениях.


4. Статистическая интерпретация

Статистическая физика вводит новое определение энтропии, на первый взгляд очень отличное от определения термодинамики. Оно задается формулой Больцмана:

S = k_B \ text {ln} \, \ Gamma ,

где Γ - количество микроскопических состояний, которые соответствуют данному макроскопическому состоянию, k_B - постоянная Больцмана.

Из статистического определения энтропии очевидно, что рост энтропии соответствует переходу к такому макроскопического состояния, характеризующегося наибольшим значением микроскопических состояний.


5. Стрела времени

Если исходное состояние термодинамической системы неравновесное, то со временем она переходит к равновесному состоянию, увеличивая свою энтропию. Этот процесс протекает только в одну сторону. Обратный процесс - переход от равновесного состояния к начальному неравновесного, не реализуется. То есть, течение времени получает направление.

Законы физики, описывающие микроскопический мир, инвариантные относительно замены t на-t. Данное утверждение справедливо как в отношении законов классической механики, так и законов квантовой механики. В микроскопическом мире действуют консервативные силы, нет трения, которое является диссипацией энергии, т.е. преобразованием других видов энергии в энергию теплового движения, а это в свою очередь связано с законом неспадання энтропии.

Представим себе, например, газ в резервуаре, помещенном в большую резервуар. Если открыть клапан менее резервуара, то газ через некоторое время заполнит больше резервуар таким образом, что его плотность выровняется. Согласно законам микроскопического мира, существует также и обратный процесс, когда газ из большего резервуара соберется в меньшую резервуар. Но в макроскопическом мире такое никогда не реализуется.


6. Тепловая смерть

Если энтропия каждой изолированной системы только увеличивается со временем, а Вселенная изолированной системой, то когда-нибудь энтропия достигнет максимума, после чего любые изменения в нем станут невозможными.

Такие рассуждения, которые появились после установки второго закона термодинамики, получили название тепловой смерти. Эта гипотеза широко дискутировалась в 19-ом столетии.

Каждый процесс в мире приводит к рассеиванию части энергии и перехода ее в тепло, ко все большему беспорядка. Конечно, наша Вселенная еще достаточно молод. Термоядерные процессы в звездах вызывающих постоянный потока энергии на Землю, например. Земля есть и еще долго будет оставаться открытой системой, которая получает энергию из различных источников: от Солнца, от процессов радиоактивного распада в ядре т.д.. В открытых системах, энтропия может уменьшаться, что приводит к появлению различных упорядоченных стуктур.


7. Принцип минимума свободной энергии

Принцип минимума свободной энергии - принцип, согласно которому в любой термодинамической системе при постоянном объеме и температуре могут протекать только такие спонтанные (самотечные) процессы, в результате которых свободная энергия Гельмгольца системы снижается.

Принцип минимума свободной энергии вытекает из второго закона термодинамики.


Источники

  • Залевски К. Феноменологическая и статистическая Термодинамика.. - Москва: Мир., 1973.
п ? в ? р Термодинамика
Разделы термодинамики
Законы термодинамики ? Уравнение состояния ? Термодинамические величины ? Термодинамические потенциалы ? Термодинамические циклы ? Фазовые переходы
Законы термодинамики