Второе начало термодинамики. Энтропия

Как уже отмечалось, важное значение в термодинамике имеет понятие обратимого процесса. Углубляя это понятие, можно сказать, что если бы обратимый процесс протекал сначала в прямом, а затем в обратном направлении самопроизвольно, то после этого ни в самой системе, ни в окружающих телах не должно было бы остаться никаких изменений. Иными словами, при этом не должно быть затрат энергии со стороны внешних тел. Однако обратимый процесс – это идеализация, и реальные процессы не могут протекать самопроизвольно в обратном направлении. Таким образом, все процессы перехода к термодинамическому состоянию необратимы. При термодинамическом равновесии в системе без внешнего вмешательства невозможны никакие реальные процессы, например, совершение работы. Это связано с механическим движением макроскопических тел, а значит, с переходом внутренней энергии в кинетическую, т.е. в энергию упорядоченного движения. Понятно, что необратим в частности процесс теплообмена между двумя телами, и теплота не может без внешнего воздействия передаваться от холодного тела к горячему. Однако первое начало термодинамики не содержит информации о направленности энергетических процессов, отражая лишь количественные соотношения. Поэтому колоссальное значение для физической науки и естествознания в целом имеет второе начало термодинамики, которое формулируется различными способами.

Все формулировки связаны с необратимостью процессов в природе и технике. Например, рассматривая работу теплового двигателя можно заметить, что для его циклической работы после расширения газа должно идти его сжатие, которое не может происходить самопроизвольно, требуется внешняя сила и охлаждение газа, а это требует затрат энергии внешних тел. Полезная работа – не единственный результат процесса, всегда присутствуют энергетические изменения во внешней среде. Наиболее известные формулировки второго начала термодинамики:

§ По Кельвину: невозможен круговой процесс, единственным результатом которого является превращение теплоты, полученной от нагревателя в эквивалентную ей работу.

§ По Клаузиусу: невозможен круговой процесс, единственным результатом которого был бы переход теплоты от менее нагретого тела к более нагретому.

Из этих формулировок следует невозможность создания «вечного двигателя второго рода», т.е. периодически действующего устройства, совершающего работу за счёт охлаждения только одного теплового резервуара. Необходимо по крайней мере два источника теплоты с различными температурами.

Наиболее фундаментальная формулировка второго начала термодинамики является статистической и связана с понятием энтропии системы. Ранее обсуждались понятия макросостояния и микросостояния многочастичной системы. Число микросостояний, которыми может быть реализовано данное макросостояние, называется статистическим весом этого макросостояния. Обозначим это число Г. Чем оно больше, тем более вероятным будет такое состояние системы. При термодинамическом равновесии в системе наблюдается максимальная хаотичность в поведении частиц, и число Г в данном случае максимально. Изолированная система стремится перейти в состояние с наибольшим статистическим весом, т.е. термодинамическое равновесие является наиболее вероятным состоянием. В статистической физике по определённым соображением используют не само число Г, а величину S, называемую энтропией системы:

S = k · lnΓ, (1)

где k = 1,38 · 10^-23 Дж/К - постоянная Больцмана. Эту формулу получил великий австрийский физик Людвиг Больцман (1804-1906), который является одним из основателей классической статистической физики. В его формулировке второе начало термодинамики звучит так: для всех процессов, происходящих в изоированной термодинамической системе энтропия системы возрастает; максимально возможное значение энтропии достигается в тепловом равновесии.

Таким образом, для реальных процессов ΔS>0, а для идеальных обратимых процессов ΔS=0. Все реальные процессы идут с возрастанием энтропии, т.к. являются необратимыми. В термодинамике энтропия рассматривается как функция состояния системы и выражается через другие физические величины; она измеряется в Дж/К. В статистическом смысле S – это мера хаотичности, неупорядоченности системы. Понятие энтропии играет важную роль в современной науке, в частности в синергетических подходах к поведению сложных систем любой природы. В ряде случаев (например, открытая система) энтропия может убывать, т.е. в системе происходят процессы упорядочения. В случае абсолютной упорядоченности системы, когда Г=0, энтропия также обращается в нуль. Утверждение о том, что S→0 при T→0 называется теоремой Нернста или третьим началом термодинамики, которое имеет и квантовую формулировку. На основе квантового подхода (дискретность энергетических уровней) М.Планк сделал вывод, что при абсолютном нуле Г=1 и S=0. Отсюда также следует недостижимость абсолютного нуля температуры.

Дата добавления: 2015-05-10