Статистическая природа второго начала термодинамики; энтропия как сумма составляющих, относящихся к различным формам движения частиц; приложения второго начала термодинамики

Термодинамика изучает условия и количественные отношения преобразования энергии из одного типа в другой. Эта наука основана на фундаментальных законах, называемых принципами термодинамики. Эти законы являются результатом обобщения многих экспериментов и наблюдений [1].

Все процессы, протекающие в природе стихийно, т.е. без затрат на работу извне, имеют определенную направленность. Таким образом, тепло самопроизвольно переходит от нагретого тела к холодному, жидкости текут с верхнего уровня на нижний, газ переходит из области более высокого давления в область более низкого давления, концентрации (диффузия) самопроизвольно выравниваются в растворах и газовых смесях. Закономерности направленности процессов не могут быть установлены первым началом термодинамики. Например, согласно первому принципу термодинамики, самопроизвольный перенос тепла от холодного тела к горячему не запрещен, если при этом не изменяется общий запас внутренней энергии. Такой нереалистичный процесс, как самопроизвольное разделение смеси газов, т.е. процесс, обратный диффузии, не противоречит первому принципу. Недостаточность первого принципа термодинамики для определения направления процессов привела к установлению второго принципа, который, как и первый, является обобщением опыта всего человечества [2].

Цель работы заключается в характеристике статистической природы второго начала термодинамики; энтропии как суммы составляющих, относящихся к различным формам движения частиц; приложения второго начала термодинамики.

 

Все самопроизвольные процессы имеют определенную направленность. Таким образом, тепло самопроизвольно переходит от нагретого тела к холодному; жидкости в поле силы тяжести перетекают с верхнего уровня на нижний; газ переходит из области высокого давления в область более низкого давления; концентрации в растворах и газовых смесях самопроизвольно выравниваются из-за процессов диффузии и конвекции. Направление процессов не может быть установлено первым началом термодинамики. В соответствии с первым принципом термодинамики самопроизвольный перенос тепла от холодного тела к горячему не запрещен, например, если при этом не изменяется общий внутренний запас энергии системы. Такой нереальный процесс, как самопроизвольное разделение газов, т.е. процесс, обратный диффузии, не противоречит первому принципу. Недостаточность 1-го принципа термодинамики для определения направления процессов привела к установлению второго принципа [3].

В качестве основной формулировки можно принять постулат Клаузиуса (1850 г.): «Самопроизвольный переход тепла от холодного тела к горячему невозможен». Действительно, переход тепла возможен только от горячего тела к холодному, и этот процесс идет в этом направлении до тех пор, пока не наступит состояние равновесия, при котором температуры обоих тел равны

Второй закон термодинамики, как и первый, является постулатом: он логически недоказуем, а его справедливость доказана человеческим опытом.

Физический смысл понятия энтропии заключается в том, что вся энергия, передаваемая системе, часть ее ассимилируется ею, равномерно рассеивается (распределяется) в системе, повышает ее температуру и не может быть преобразована в работу. Энтропия - это мера рассеяния, рассеивания (деградации) энергии. Термин «энтропия» в буквальном переводе с греческого означает - энергия, которая не превращается в работу. Энтропия характеризует молекулярный беспорядок в системе, который связан с ее температурой и уменьшается с понижением температуры.

Поскольку энтропия прямо пропорциональна логарифму термодинамической вероятности системы, энтропия также увеличивается при переходе от менее вероятного состояния к более вероятному [3].

Из второго принципа термодинамики следует, что если система изолирована, то при протекании в ней обратимых процессов энтропия не меняется, при возникновении необратимых процессов она увеличивается.

Если необратимый процесс приводит изолированную систему в состояние равновесия, то ее энтропия достигает максимума.

Следовательно, энтропия является критерием направленности процесса ∆S> 0 и критерием равновесия ∆S = 0, если ∆S <0 - процесс в изолированной системе невозможен. Однако в некоторых частях неизолированной системы могут происходить как обратимые, так и необратимые процессы с уменьшением энтропии.

В результате проделанной работы была дана характеристика статистической природы второго начала термодинамики; энтропии как суммы составляющих, относящихся к различным формам движения частиц; приложения второго начала термодинамики.

В качестве основной формулировки можно принять постулат Клаузиуса (1850 г.): «Самопроизвольный переход тепла от холодного тела к горячему невозможен». Второй закон термодинамики, как и первый, является постулатом: он логически недоказуем, а его справедливость доказана человеческим опытом. Следствием 2-го закона термодинамики является невозможность создания «вечного двигателя второго рода», т. е. теплового двигателя с КПД 100%.

Второй закон термодинамики имеет отличия в применимости по сравнению с первым законом: он носит статистический характер, т.е. применим только к тем системам, к которым применимы законы статистики, - к системам, состоящим из большого числа частиц.

Энтропия является критерием направленности процесса ∆S> 0 и критерием равновесия ∆S = 0, если ∆S <0 - процесс в изолированной системе невозможен. Однако в некоторых частях неизолированной системы могут происходить как обратимые, так и необратимые процессы с уменьшением энтропии.