4 Первый и второй законы термодинамики

Согласно первому закону термодинамики, который звучит следующим образом: теплота сообщенная системе, расходуется на приращение внутренней энергии системы и совершение системой работы над внешними силами, различные виды энергии могут переходить друг в друга, но при этих превращениях Ī энергия не исчезает и не появляется из ничего. Это означает, что для замкнутой системы ∆U = ∆Q–W,

где ∆U – изменение внутренней энергии системы; ∆Q - тепло, поглощенное системой; W – работа, совершаемая системой. [Внутренняя энергия отличается от теплоты и работы тем, что она всегда меняется одинаково при переходе из одного состояния в другое независимо от пути перехода!].

Изменение тепловой энергии ∆Q изолированной системы пропорционально абсолютной температуре T, то есть  ∆Q = T ∙ ∆S, где ∆S - коэффициент пропорциональности, который  называется изменением энтропии.

Второй закон термодинамики существует в двух формулировках. Первая формулировка ( формулировка Клаузиуса ) звучит следующим образом: невозможен самопроизвольный переход тепла от тел с более низкой температурой к телам с более высокой температурой. Вторая формулировка ( формулировка Томсона ) говорит о том, что невозможно создание вечного двигателя ĪĪ рода, то есть такого циклического процесса, в  результате которого всё поглощенное системой тепло расходовалось бы на совершение работы. Согласно второму закону термодинамики, энтропия изолированной системы в необратимом  процессе возрастает, а в обратимом процессе  остается неизменной. Энтропия – это функция состояния системы, дифференциал которой в бесконечно малом обратимом процессе равен отношению бесконечно малому количеству тепла, сообщенного системе, к абсолютной  температуре последней (ΔS=ΔQ:T ). Единица измерения энтропии - Дж/К.  Энтропия есть мера неупорядоченности системы: если энтропия растет, то это означает, что система стремится перейти в состояние с большей термодинамической вероятностью, то есть в состояние менее упорядоченное. Из второго закона термодинамики следует вывод: при постоянной температуре тепловую энергию невозможно превратить  в механическую работу. Так как тепловая энергия обусловлена хаотическим движением частиц, то  сумма  векторов  скорости  этих частиц  в любом направлении равна нулю. В механическую же работу можно превратить только ту  энергию, которая представляет  собой однонаправленное движение тел (кинетическую энергию летящего тела,  энергию движущихся  ионов или электронов в электрическом поле).

Вывод по двум законам:

Первый закон устанавливает количественное соотношение между теплотой, работой и изменением внутренней энергией, но не определяет направление термодинамического процесса. Он выполняется всегда и для любых систем. Основное соотношение термодинамики: TΔS ≥ ΔU+W.

Второй закон является статистическим и справедлив для систем с большим, конечным числом частиц. Он указывает наиболее вероятное направление процесса. Если утверждается, что данный процесс невозможен, то следует понимать, что вероятность его совершения существует, но ничтожно мала.