Исходная формулировка второго закона термодинамики. Второй закон термодинамики

Согласно закону сохранения энергии в случае определенных процессов, объем используемой энергии остается неизменным. Для того, чтобы объяснить как энергия может превращаться можно обратиться к понятию второй закон термодинамики . Данный закон подтверждает необратимость некоторых явлений в природе и указывает траекторию энергетических изменений внутри определенных процессов. Закон был сформулирован на основе наблюдений за происходящее в природе, что позволило понять сущность и характер протекания определенных явлений. Все законы физики основаны на опытах и наблюдениях и позволили формулировать определенные заявления на основе происходящего в природе.

В качестве основы для второго закона термодинамики стали необратимые и непроизвольные процессы, которые происходят исключительно в одно направление и/или без постороннего внешнего воздействия. Классические примеры таких процессов это старение, смерть. Без того чтобы обобщать, можно обратиться к более простым процессам: духи распространяются очень быстро при распылении, а обратному соединению они не подаются; также легко превратить яйца в омлет, так что обратно в скорлупу их невозможно вернуть.

Закон работает в изолированных системах, но также может восприниматься как рабочим в случае систем, у которых есть возможность получить тепло извне. В подобных системах энтропия будет расти даже быстрее. Показатель энтропии указывает на систему с характером неупорядоченности, то есть сама энтропия и есть мера беспорядка. Высокий показатель энтропии это высокий уровень хаотичности движения частиц внутри системы. Классический пример этого состояния это превращение льда в воду и его невозможность стать снова льдом самостоятельно. В случае превращения воды в лед должно происходить понижение уровня энтропии.

Говоря о том, что такое термодинамика второй закон необходимо вспомнить, что собой представляет первый закон термодинамики . Он олицетворение всех известных процессов в природе и соблюдается с 100% точностью. Все что может противоречить этому закону, в природе не существует. Данный закон ничего не отрицает, но и не утверждает, а в качестве вспомогательного элемента для разъяснения определенных процессов вступает второй закон термодинамики, всем известный в разных формулировках. Невзирая на то, что закон простой, он часто интерпретируется некорректно.

Второй закон термодинамики появился, как необходимость определить направление физических процессов определенные первым законом. В первую очередь необходимо отметить, что разные виды энергии обладают различной способностью перевоплощаться в другую энергию. Существует ограничение, которое не позволяет внутренней энергии стать механической энергии и это разъясняется законами термодинамики.

Второй закон термодинамики в различных формулировках

Существует несколько формулировок данного закона, которые объясняют одну правду различными способами. Первый кто сформулировал его это Р. Клаузиус, после последовали формулировки Томсона, Больцмана, Кельвина. Наличие различных интерпретации данного закона позволяет его понять лучше. Поэтому будет не лишним ознакомиться с каждым из них.

1. Переход тепла от тела с невысокой температурой к другому телу с более высоким уровнем температуры невозможен. (Клаузиус)

2. Любой процесс является невозможным, если для его осуществления должно использоваться тепло взятое от постороннего тела. (Томсон)
3. Состояние энтропии не может стать меньше в полностью закрытых системах, которые не получают никакую внешнюю энергию. (Больцман)

4. Периодические процессы, происходящие исключительно за счет теплоты единого источника являются невозможными. Создание вечного теплового двигателя, который совершал бы механические процессы за счет потери тепла любого тела, является невозможным. (Кельвин).

Согласно всем формулировкам можно условно определить, что процессы можно называть необратимыми, если механическая энергия проходит путь модификации во внутренней энергии при наличии процесса трения. Отсутствие параметра трение позволило бы в ином случае получать обратное протекание процессов. Обратные процессы можно считать абстрактными с учетом того, что протекают они, как правило, в присутствии реакции теплообмена и трения.

Второй закон термодинамики формулы

Существуют определенные уравнения, которые помогают рассматривать второй закон термодинамики согласно более конкретным данным. Основное уравнение это уравнение Больцмана, которое позволяет вычислять параметр энтропия.

S = Q/ T

С целью понять, что собой представляет параметр энтропия можно рассмотреть пример с системой, в которой два тела с не одинаковой температурой будут обмениваться теплом, пока температура обоих тел не сравнится. Тепло будет передаваться исключительно от тела с температурой выше к более холодному. Тело, которое отдает тепло, получает пониженный уровень энтропии, только не по тем параметрам, по которым увеличиться энтропия тела, получившее это тепло. Энтропия обеих тел по итогам после процесса передачи тепла будет выше для всей системы. Это указывает, что данная величина стремиться к энному максимуму для всех закрытых систем. Также неопровержимо заявление относительно того, что действие по передаче тепла будет продолжать происходить самопроизвольно, пока будут существовать перепады температуры.

Простая формулировка первого закона термодинамики может звучать примерно так: изменение внутренней энергии той или иной системы возможно исключительно при внешнем воздействии. То есть другими словами, чтобы в системе произошли какие-то изменения необходимо приложить определенные усилия извне. В народной мудрости своеобразным выражением первого закона термодинамики могут служить пословицы – «под лежачий камень вода не течет», «без труда не вытащишь рыбку из пруда» и прочая. То есть на примере пословицы про рыбку и труд, можно представить, что рыбка и есть наша условно закрытая система, в ней не произойдет никаких изменений (рыбка сама себя не вытащит из пруда) без нашего внешнего воздействия и участия (труда).

Интересный факт: именно первый закон термодинамики устанавливает, почему потерпели неудачу все многочисленные попытки ученых, исследователей, изобретателей изобрести «вечный двигатель», ведь его существование является абсолютно невозможным согласно этому самому закону, почему, смотрите абзац выше.

В начале нашей статьи было максимального простое определение первого закона термодинамики, в действительности в академической науке существует целых четыре формулировки сути данного закона:

• Энергия ни откуда не появляется и ни куда не пропадает, она лишь переходит из одного вида в другой (закон сохранения энергии).
• Количество теплоты, полученной системой, идет на совершение ее работы против внешних сил и изменение внутренней энергии.
• Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданной системе, и не зависит от способа, которым осуществляется этот переход.
• Изменение внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты, переданной системе, и работой, совершенной системой над внешними силами.

Формула первого закона термодинамики

Формулу первого закона термодинамики можно записать таким образом:

Количество теплоты Q, передаваемое системе равно суме изменения ее внутренней энергии ΔU и работы A.

Процессы первого закона термодинамики

Также первый закон термодинамики имеет свои нюансы в зависимости от проходящих термодинамических процессов, которые могут быть изохронными и изобарными, и ниже мы детально опишем о каждом из них.

Первый закон термодинамики для изохорного процесса

Изохорным процессом в термодинамике называют процесс, происходящий при постоянном объеме. То есть, если будь-то в газе или жидкости нагреть вещество в сосуде, произойдет изохорный процесс, так как объем вещества останется неизменным. Это условие имеет влияние и на первый закон термодинамики, проходящий при изохорном процессе.

В изохорном процессе объем V является константой, следовательно, газ работы не совершает A = 0

Из этого выходит следующая формула:

Q = ΔU = U (T2) – U (T1).

Здесь U (T1) и U (T2) – внутренние энергии газа в начальном и конечном состояниях. Внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры (закон Джоуля). При изохорном нагревании тепло поглощается газом (Q > 0), и его внутренняя энергия увеличивается. При охлаждении тепло отдается внешним телам (Q < 0).

Первый закон термодинамики для изобарного процесса

Аналогично изобарным процессом называется термодинамический процесс, происходящий в системе при постоянном давлении и массе газа. Следовательно, в изобарном процессе (p = const) работа, совершаемая газом, выражается следующим уравнением первого закона термодинамики:

A = p (V2 – V1) = p ΔV.

Изобарный первый закон термодинамики дает:

Q = U (T2) – U (T1) + p (V2 – V1) = ΔU + p ΔV. При изобарном расширении Q > 0 – тепло поглощается газом, и газ совершает положительную работу. При изобарном сжатии Q < 0 – тепло отдается внешним телам. В этом случае A < 0. Температура газа при изобарном сжатии уменьшается, T2 < T1; внутренняя энергия убывает, ΔU < 0.

Применение первого закона термодинамики

Первый закон термодинамике имеет практическое применение к различным процессам в физике, например, позволяет вычислить идеальные параметры газа при разнообразных тепловых и механических процессах. Помимо сугубо практичного применение можно этому закону найти применение и философское ведь что ни говорите, но первый закон термодинамики является выражением одного из самых общих законов природы – закона сохранения энергии. Еще Еклезиаст писал, что ничто ни откуда не появляется и никуда не уходит, все пребывает вечно, постоянно трансформируясь, в этом и кроется вся суть первого закона термодинамики.

Первый закон термодинамики, видео

И в завершение нашей статьи вашему вниманию образовательное видео о первом законе термодинамике и внутренней энергии.

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; ( title="Rendered by QuickLaTeX.com" height="15" width="65" style="vertical-align: -3px;">).

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

ПРИМЕР 1

Задание

В чем состоит суть проблемы «Тепловой смерти Вселенной»? Почему эта проблема является несостоятельной?

Решение

Данная проблема была сформулирована в XIX веке. Если считать Вселенную замкнутой системой и пытаться применить к ней второй закон термодинамики, то по гипотезе Клаузиуса энтропия Вселенной достигнет некоторого максимума. То есть через некоторое время все формы движения станут тепловым движением. Вся теплота от тел с более высокой температурой перейдет к телам, имеющим более низкую температуру, то есть температуры всех тел Вселенной станут равны. Вселенная придет в состояние теплового равновесия, все процессы прекратятся — это называют тепловой смертью Вселенной. Ошибка данного положения о тепловой смерти Вселенной заключена в том, что второй закон термодинамики неприменим к незамкнутым системам, а Вселенную считать замкнутой не следует. Так как она является безграничной и состоит в бесконечном развитии.

ПРИМЕР 2

Задание

Чему равно КПД цикла, который представлен на рис.1? Считайте, что в процессе участвует идеальный газ (число степеней свободы равно i) и его объем изменяется в n раз.

Решение

Коэффициент полезного действия цикла, который представлен на рис.1 найдем как: 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:

Второй закон термодинамики, как и первый, является постулатом, обоснованным многовековым опытом человечества. Открытию этого закона способствовало изучение тепловых машин. Французский ученый С. Карно первым показал (1824 г.), что любая тепловая машина должна содержать помимо источника теплоты (нагревателя) и рабочего тела (пар, идеальный газ и др.), совершающего термодинамический цикл, также и холодильник, имеющий температуру обязательно более низкую, чем температура нагревателя.

Коэффициент полезного действия η такой тепловой машины, работающей по обратимому циклу (циклу Карно ), не зависит от природы рабочего тела, совершающего этот цикл, а определяется только температурами нагревателя Т 1 и холодильника Т 2:

где Q 1 – количество теплоты, сообщенное рабочему телу при температуре Т 1 от нагревателя; Q 2 – количество теплоты, отданное рабочим телом при температуре Т 2 холодильнику.

Второй закон термодинамики представляет собой обобщение вывода Карно на произвольные термодинамические процессы, протекающие в природе. Известно несколько формулировок этого закона.

Клаузиус (1850 г.) сформулировалвторой закон термодинамики так: невозможен процесс, при котором теплота переходила бы самопроизвольно от тел более холодных к телам более горячим.

У. Томсон (Кельвин) (1851 г.) предложил следующую формулировку: невозможно построить периодически действующую машину, вся деятельность которой сводилась бы к совершению механической работы и соответствующему охлаждению резервуара.

Постулат Томсона может быть сформулирован и так: вечный двигатель второго рода невозможен. Вечным двигателем второго рода называют устройство, которое без компенсации полностью превращало бы периодически теплоту какого-либо тела в работу (В.Оствальд). Под компенсацией понимают изменение состояния рабочего тела или отдачу части теплоты рабочим телом другим телам и изменение термодинамического состояния этих тел при круговом процессе превращения теплоты в работу.

Второй закон термодинамики устанавливает, что без компенсации в круговом процессе ни один джоуль теплоты нельзя превратить в работу. Работа же превращается в теплоту полностью без всякой компенсации . Последнее связано, как отмечалось ранее, с самопроизвольностью процесса рассеивания (обесценивания) энергии.

Второй закон термодинамики вводит функцию состояния системы, которая количественно характеризует процесс рассеивания энергии . В этом смысле приведенные формулировки второго закона термодинамики равноценны, ибо из них следует существование функции состояния системы – энтропии.

В настоящее время второй закон термодинамики формулируется следующим образом: существует аддитивная функция состояния системы S – энтропия, которая следующим образом связана с теплотой, поступающей в систему, и температурой системы :

Для обратимых процессов; (3.2)

Для необратимых процессов. (3.3)

Таким образом, при обратимых процессах в адиабатически изолированной системе ее энтропия не изменяется (dS = 0), а при необратимых процессах увеличивается (dS > 0).

В отличие от внутренней энергии значение энтропии изолированной системы зависит от характера происходящих в ней процессов: в ходе релаксации энтропия изолированной системы должна возрастать, достигая максимального значения при равновесии.

В общем виде второй закон термодинамики для изолированной системы записывается так:

Энтропия изолированной системы или увеличивается, если в ней протекают самопроизвольные необратимые процессы, или остается постоянной. Поэтому второй закон термодинамики определяют также как закон о неубывании энтропии в изолированных системах .

Таким образом, второй закон термодинамики дает критерий самопроизвольности процессов в изолированной системе . Спонтанно в такой системе могут протекать только процессы, сопровождающиеся увеличением энтропии. Самопроизвольные процессы заканчиваются с установлением равновесия в системе. Значит, в состоянии равновесия энтропия изолированной системы максимальна. В соответствии с этим критерием равновесия в изолированной системе будет

Если в процессе принимает участие неизолированная система , то для оценки необратимости (самопроизвольности) процесса необходимо знать изменение энтропии системы dS 1 и изменение энтропии окружающей среды dS 2 . Если принять, что система и окружающая среда (их часто называют «вселенной») образуют изолированную систему , то условием необратимости процесса будет

то есть процесс будет необратим, если общее изменение энтропии системы и окружающей среды будет больше нуля .

Окружающая среда – огромный резервуар; eе объем и температура не изменяются при теплообмене с системой . Поэтому можно для окружающей среды приравнять δQ = dU и не важно, обратимо или необратимо происходит переход теплоты, так как и δQ обр, и δQ необр точно равны dU окружающей среды. Таким образом, изменение энтропии окружающей среды всегда равно .

В физике, так как она является точной наукой, большинство догм доказывается эмпирическим путем. Именно таким образом был выведен второй закон термодинамики, который сегодня изучается в каждой школе. Необратимость тепловых процессов - вот о чем он говорит. Стоит отметить, что на начальных этапах изучения такая трактовка куда более понятна.

Общие представления

Физическим принципом, который ограничивает направления различных процессов в термодинамических системах, является второй закон термодинамики. Определение данного термина было сформировано в 19 столетии, сначала Рудольфом Клаузисом, а затем Уильямом Томсоном (лордом Кельвином). В соответствии с двумя постулатами в мире не может существовать некий вечный двигатель второго рода. Нет и не будет такой установки, которая бы тепло, исходящее от всех вещей, живых существ и явлений, превращала в энергию для своей постоянной работы. Исходя из этого было выведено правило, что КПД не может равняться единице. Сравнить это можно с работой холодильника, где температура, допустим, будет равна абсолютному нулю. В таких условиях круговой обмен теплом исключен.

Формулировка Рудольфа Клаузиса

Первым озвучил второй закон термодинамики Р. Клаузис - немецкий физик-практик и математик. По его словам, круговой процесс, в котором результат достигается путем передачи теплоты от менее нагретого тела к более нагретому, невозможен. Иными словами, температура в полной или частичной мере может свободно переходить от более теплого тела к более охлажденному, но в обратном направлении этот процесс происходить не сможет. Это наглядным образом демонстрирует нам отсутствие цикличности, замкнутого круга. Такие понятия неприемлемы для термодинамики. Между телами просто происходит обмен теплом, и в результате этих действий не производится лишняя энергия.

Постулат, выведенный лордом Кельвином

Аналогичное определение второй закон термодинамики получил в трудах Томсона - британского физика и механика. Теоретически он звучит так: «Циклический процесс, единственным результатом которого могла бы быть работа, получаемая путем охлаждения теплого тела или резервуара, невозможен». Чтобы понять более ясно такую трактовку, представим себе некую машину (в соответствии с термодинамическим постулатом она существовать не может). Она периодически охлаждает резервуар с постоянно горячей водой, получая от этого тепловую энергию. За счет этой энергии машина поднимает различные грузы, как строительный кран. При этом в ней нет мотора, силовых установок и прочего механического наполнения. В точки зрения эмпирической физики такое невозможно.

Что общего?

Теперь рассмотрим, каким образом эти две трактовки объединяются и на что в принципе опирается второй закон термодинамики. Энтропия - та самая мера хаоса, которая увеличивается в процессе обмена теплом. Именно она является связующим элементом для описания Клаузиса и Кельвина. Но вернемся немного назад. Второе начало термодинамики гласит, что при обмене теплом энергия убывает (потому получение работы никак не возможно), но при этом мера хаоса увеличивается. Этот процесс необратимый, и часто его называют стихийным. В термодинамике энтропия постоянно приумножается, но ее уничтожение невозможно. Именно поэтому даже 100 процентов энергии, которые находятся в любом теле, не могут преобразоваться в работу.

Что такое мера хаоса?

Само понятие энтропии впервые было сформулировано устами Клаузиса. Оно применялось для определения меры необратимого процесса рассеивания энергии. Это была своего рода разница отклонения реального процесса от идеального. Энтропия в замкнутых системах, где любые процессы происходят циклично, имеет постоянную величину. Если же процесс необратимый (что непосредственно касается термодинамики), то энтропия всегда имеет положительное значение. Также стоит выделить, что мера хаоса порождается абсолютно всеми процессами, которые происходят во Вселенной. При постоянных показателях объема и энергии какого-либо тела или резервуара энтропия постоянно возрастает. Если данные показатели периодически меняются, то мера хаоса может уменьшиться за счет производимой работы, но ее полное уничтожение невозможно. При этом стоит отметить, что энтропия Вселенной не уменьшается. Она остается либо в норме, либо безвозвратно увеличивается.

Наглядный пример

Второй закон термодинамики можно объяснить на стандартном примере, который часто приводят школьникам. У нас есть два тела с различной температурой. Более нагретая субстанция будет отдавать свое тепло менее нагретой до тех пор, пока их температурные показатели не сравняются. В ходе данного процесса энтропия у первого, более теплого тела уменьшится на меньший показатель, нежели она увеличится у второго, более прохладного тела. В результате подобный самопроизвольный процесс создаст энтропию системы, показатель которой будет выше, чем суммарное значение энтропий двух тел в первоначальном положении. Иными словами, мера хаоса системы двух субстанций, полученная в результате обмена теплом, увеличилась.

Тепловая смерть Вселенной

Проводя свои расследования, Клаузис пришел к выводу, что каким бы открытым нам ни казалось пространство (наша планета, ее отдельные территории, акватории и т.д.), все это находится в космосе. Вселенная, в свою очередь, является огромнейшим замкнутым пространством, в рамках которого происходят макроскопические процессы. В силу того, что в замкнутой системе энтропия постоянно увеличивает свой показатель, наш мир близится к тому, что скоро в нем мера хаоса достигнет бесконечной величины. Это значит, что все процессы попросту прекратятся за счет того, что энергия исчерпает себя. Такая критическая точка, которой мы достигнем, возможно, в неком будущем, получила название тепловой смерти. Получается, что все наши действия (движения, ходьба, бег), все явления, которые происходят на планете (дуновение ветра, цунами, движения литосферных плит), - все это вызывает необратимое увеличение энтропии и исчерпывает энергию.

Опровержение теории

Судить обо всем космосе человек до сих пор не может. Мы видим лишь часть мира, в котором живем, и исследуем этот уголок, доказывая определенные законы и формируя на основе этого свои представления. Потому первое опровержение возможности тепловой смерти, которая основана на втором законе термодинамики, заключается в том, что Вселенная может и не быть замкнутой системой. Доподлинно известно, что 85 процентов космоса состоит из антиматерии, свойства которой никому неизвестны. Второе опровержение заключается в том, что наш космос, даже если и замкнут, является сплошной флуктуацией. Из-за различных колебаний и смен размеров, масс, показателей энергии и температуры энтропия не увеличивается (в суммарном, вселенском значении) и не уменьшается. Следовательно, мы и так пребываем в состоянии термодинамического равновесия, или же, словами Клаузиса, в состоянии тепловой смерти.

Подводим итоги

Второй закон термодинамики неразрывно связан с развитием точных наук. Он был открыт на заре научно-технического прогресса и стал, можно сказать, отправной точкой для дальнейших работ ученых в области математики, физики и астрономии. Стоит отметить, что все это мы представляем сугубо в земных условиях. Вполне вероятно, что в другой среде, где гравитационные поля имеют иную силу, термодинамика будет работать по совсем другой схеме.