4. Принцип возрастания энтропии.

Принцип возрастания энтропии является обобщающим результатом второго начала термодинамики и вытекающих из него следствий. Второе начало термодинамики устанавливает невозможность передачи теплоты от тел с более низкой температурой телам с более высокой температурой без компенсации, или в другой формулировке – невозможность создания вечного двигателя 2-го рода. Исходя из этого, можно установить, что для любой системы, находящейся в равновесном состоянии или претерпевающей равновесные, т.е. обратимые изменения, существует однозначная функция состояния, называемая энтропией. Энтропия является координатой состояния и в этом смысле определяет количество теплоты при равновесных тепловых взаимодействиях. Для изолированной в тепловом отношении системы тел (адиабатная система) суммарное изменение энтропии всех тел и подсистем, участвующих в любых обратимых процессах, включая изменение энтропии окружающей среды (если окружающая среда является частью рассматриваемой изолированной системы), равно нулю. Сказанное можно записать следующим образом:

.

Эти уравнения выражают второе начало термодинамики для равновесных систем и обратимых процессов; индекс 0 у знака дифференциала означает, что в общем случае Q (и L) не являются функциями состояния, a d⁰Q и d⁰L – полными дифференциалами.

При любых необратимых процессах в замкнутой адиабатной системе (общая масса не изменяется) энтропия системы возрастает, т.е.

.

Условие внешней тепловой изоляции на контрольной поверхности всей рассматриваемой системы является единственным ограничением. В связи с этим приведенная формулировка принципа возрастания энтропии является более общей по сравнению с формулировкой этого принципа для изолированной системы тел.

Принцип возрастания энтропии определяет направление какого-либо процесса или химической реакции в адиабатной макросистеме. Он отражает возможность или невозможность протекания процессов и определяет условия, необходимые для их осуществления. Принцип возрастания энтропии не является абсолютным: его применимость ограниченна. Например, для микросистем (по размерам сопоставимых с молекулами), для систем в возбужденных состояниях, а также для систем неограниченных размеров этот принцип неприменим.

5. Принцип аддитивности потерь.

Рабочие процессы в машинах и аппаратах криогенных систем протекают в сложной физической обстановке. Для многих процессов характерно одновременное существование нескольких необратимых взаимодействий, например, массо- и теплообмена, трения и неравновесного расширения или сжатия, смешения и т.д. В результате этих необратимых процессов меняются параметры рабочего тела и в первую очередь температура и энтропия. Изменения этих параметров могут существенно отличаться по величине от их изменений в соответствующих идеальных (обратимых) процессах. По результатам численного сравнения изменений указанных параметров в обратимых и необратимых процессах можно судить о мере необратимости и потерях энергии в любом узле установки.

При анализе рабочих процессов в установках используют принцип аддитивности потерь, являющийся следствием аддитивности энтропии и применяемый в нескольких вариантах. Например, для многоэлементной криогенной системы, в которой выделены отдельные подсистемы – узлы или элементы (теплообменники, ректификационные колонны, детандеры и др.) и для каждого узла определено изменение энтропии при осуществлении реального рабочего процесса. Общее изменение энтропии криогенной системы найдено как сумма изменения энтропии ее подсистем:

Приращение энтропии в необратимых процессах обусловливает соответствующие им потери энергии; поэтому общая потеря энергии в криогенной системе определена как сумма потерь энергии вследствие необратимости реальных рабочих процессов в отдельных элементах системы. Парциальные потери энергии (или вклад каждого элемента в сумму потерь) должны быть известны для направленного улучшения характеристик криогенных установок.

В другом варианте использования принципа аддитивности сложный рабочий процесс в рассматриваемом элементе расчленяют на ряд элементарных и общее приращение энтропии в этом процессе определяют как сумму приращений энтропии в элементарных процессах: