47. Другий принцип(закон) термодинаміки
Якщо перший закон встановлює існування в будь-якій системі внутрішньої енергії, яка не змінюється за відсутності зовнішніх впливів то другий закон термодинаміки встановлює існування в рівноважній системі однозначної функції стану ентропії, яка не змінюється у рівноважних системах, завжди зростає в не рівноважній відкриття другого закону пов’язане з роботою теплових машин, зокрема в 1824 році Кардано довів що ККД теплових машин не залежить від природи речовини і визначається як:
Другий закон має експериментальну основу з перетворенням теплоти в роботу і із роботи в теплоту. Теплота і робота поняття не рівноцінне оскільки робота А може безпосереднє йти на зміну будь-якого виду енергії, тоді як теплота Q безпосереднього перетворення в роботи призводить до зближення внутрішньої енергії системи. Для перетворення теплоти і роботи необхідний холодильник тобто інші тіла або тіло яке відає частину теплоти отримує від нагрівання. Експеримент показує що не 1 Дж не може бути перетворений в роботу без відповідної компенсації. Така нерівноправність між теплотою і роботою призводить до односторонності природних процесів. Зокрема тепло холодного тіла не може самовільно передало ще більше нагрітого тіла. Пристрій, який би періодично перетворював теплоту в роботу без компенсації отримав назву вічного двигуна другого роду. Тому вихідною формулою другого начала таке: неможливий вічний двигун другого роду.
Отже, завжди Q>W і це приводить існування термодинамічної температури та нової ф-її стану ентропії. Для отримання аналітичного виразу другого начала термодинаміки розглядаються рівноважні та нерівноважні процеси.
Оборотні і необоротні процеси.
Розглянемо деякий коловий процес, в якому здійснюються перехід із стану 1 в стан 2 і навпаки. Процес переходу с-ми із стану 1 в стан 2 називається оборотнім, якщо перехід із стану 2 в стан 1 можна зробити без б-я зміни навколишнього середовища.
Якщо такий перехід не можливий тобто виникають зміни у зовнішніх тілах процес називається необоротнім.
Будь-який квазістатичний процес є оборотнім. Процеси з тертям є необоротніми. Оскільки будь-який нерівноважний процес оборотній, то необоротній нерівноважний. І мірою необоротності процесів у замкнутій системі виступає ентропія.
Прикладами необоротніх процесів є:
розширення газу в пустоту незворотній. Оскільки при такому розширенні не виконується робота, а стиснути газ так, щоб не виконувати роботу не можна. Стискування призводить до нагрівання газу, а щоб він не нагрівався газ потрібно охолоджувати, для цього потрібно виконувати роботу.
процес дифузії є також необоротнім.
48. Друге начало для рівноважних процесів. Ентропія і термодинамічна температура.
Рівноважні процеси можна показати
- функція стану,
називається ентропією
- термодинамічна
температура
Оскільки ентропія
є однозначною функцією стану, то це
означає, що
,
а отже для будь-якого рівноважного
стану.
Математичне формулювання другого начала термодинаміки для рівноважних процесів
(1)
другий закон термодинаміки
Інтегральним рівнянням другого начала для рівноважно полових процесів є рівність Клаузіса
(2)
Фізичний зміст ентропії полягає в тому, що зміна ентропії є мірою необоротності процесів у замкненій системі і характеризує напрям природних процесів у такій системі:
Друге начало термодинаміки (2) можна записати
(3),
- узагальнені сили,
-
узагальнені координати.
Якщо система знаходиться під всебічним тиском, то рівняння набуває вигляду
(4) і воно
є вихідним для аналізу всіх рівноважних
процесів у термодинамічній системі із
постійним числом частинок.
Для розрахунків необхідно знати як термічні, так і колоритні рівняння і рівняння (4) дозволяє встановити зв'язок між ними у вигляді
(5)
Це рівняння дозволяє підрахувати внутрішню енергію ідеального та реального газів та інших характеристик.
Згідно з основним
рівнянням термодинаміки (4) зміна ентропії
може бути підрахована
або дане рівняння може бути записане
як
(6)
Розглянемо перехід системи із стану 1 в стан 2. Якщо система переходить із 1 в 2, то рівність теплоти визначиться
При переході з стану 2 в стан 1
.
Якщо система оборотня, то кількість теплот обходу по І контуру і ІІ будуть однаковими
а це вказує на
існування деякої однозначної функції,
зміна якої визначається
(7)
Статистична фізика
дає і інший вираз для визначення ентропії,
а саме
(8),
де
- постійна Больцмана,
-
імовірність.
Односторонній характер зміни ентропії в замкнутій системі визначає перехід її із менш імовірного стану у більш імовірний.