Другий закон термодинаміки. Ентропія

Теоретична частина

Висновок про недостатність першого закону термодинаміки для визначення напрямку і межі перебігу процесів привів до встановлення другого закону термодинаміки. Останній, як і перший закон, є постулатом. Доказом другого закону термодинаміки може служити те, що всі висновки, що витікають з нього, до цього часу завжди знаходили підтвердження на досліді. У середині XIX ст. Р. Клаузіус, У. Томсон і Дж. Максвел показали, що другий закон термодинаміки – це один із найбільш загальних законів природи. Можливість, напрямок і межу перебігу самодовільного процесу визначає другий закон термодинаміки.

Запропоновано багато різних формулювань другого закону термодинаміки. Всі вони рівноцінні і можуть бути виведені логічно один з другого. Наведемо найбільш поширені з них:

· єдиним результатом будь-якої сукупності процесів не може бути перехід теплоти від холодного тіла до гарячого (Р. Клаузіус, 1850 р.);

· теплота найбільш холодного із тіл, що беруть участь у процесі, не може бути джерелом роботи (У. Томсон, 1851 р.);

· єдиним результатом будь-якої сукупності процесів не може бути негативний процес.

Для кількісної характеристики процесу розсіювання енергії у 1865 р. німецьким фізиком Р. Клаузіусом була введена нова термодинамічна функція, яку він назвав ентропією і позначив літерою S:

Ентропія – функція стану, тому її зміна не залежить від шляху процесу, а визначається тільки початковим і кінцевим станами системи.

Математичний вираз другого закону термодинаміки для оборотних і необоротних процесів має вигляд:

За фізичним змістом ентропія – це кількість зв'язаної енергії, віднесена до одного градусу:

Зв'язана енергія – це та частка внутрішньої енергії, яка не може бути перетворена в корисну роботу:

U = F + q,

де q – зв'язана енергія; F – вільна енергія, за рахунок якої можна виконати роботу.

Ентропія – екстенсивна властивість системи і виражається в Дж/(моль∙К).

Співвідношення другого закону термодинаміки приводить до висновку, що в адіабатних процесах (¶Q = 0) і dS ≥ 0.

Тобто ентропія ізольованої системи в оборотних процесах не змінюється (S₂ = S₁),а в необоротних (самодовільних) – збільшується (S₂ > S₁).

При цьому самодовільний процес відбувається доти, поки система не перейде в рівноважний стан, в якому ентропія досягає максимуму.

Отже, в ізольованих системах, для яких V = const і U = const, напрям перебігу самодовільних процесів визначається зміною ентропії.

Дата добавления: 2015-05-23