8. Различные формулировки второго начала термодинамики. Физический смысл второго начала термодинамики. Обратимые и необратимые процессы.
В 1824 г. Карно доказал, что для работы теплового двигателя необходимо не менее двух источников теплоты с различными температурами. Невозможность создания вечного двигателя второго рода подтверждается вторым началом термодинамики.
Приведем некоторые формулировки второго начала термодинамики:
Невозможен процесс, единственным результатом которого является превращение всей теплоты, полученной от нагревателя в эквивалентную ей работу (формулировка Кельвина).
Невозможен вечный двигатель второго рода (формулировка Томпсона – Планка).
Невозможен процесс, единственным результатом которого является передача энергии в форме теплоты от холодного тела к горячему (формулировка Клаузиуса).
В п. 6.4, мы показали, что при обратимом процессе имеет место равенство Клаузиуса:
|
|
|
(6.5.1) |
;
при необратимом процессе имеет место неравенство Клаузиуса:
|
|
|
(6.5.2) |
.
Тогда для произвольного процесса,
|
|
|
(6.5.3) |
.
где знак равенства – для обратимого процесса; знак больше - для необратимого.
Значит для замкнутой системы
|
|
|
(6.5.4) |
.
Это выражение – математическая запись второго начала термодинамики.
Выражения (6.5.1) и (6.5.2) можно объединить:
|
|
|
(6.5.5) |
.
Энтропия замкнутой системы при любых происходивших в ней процессах не может убывать (или увеличивается, или остается неизменной).
Первое и второе начала термодинамики в объединенной форме имеют вид:
|
|
.
Необратимые процессы сопровождаются диссипативными эффектами, сущностью которых является производство (генерирование) энтропии в системе в результате протекания рассматриваемого процесса. Простейшее выражение закона диссипации имеет вид:
где
средняя
температура, diS-производство
энтропии,
-
т. наз. нескомпенсированная теплота
Клаузиуса (теплота диссипации).
Обратимые процессы, будучи идеализированными, не сопровождаются диссипативными эффектами. Микроскопическая теория обратимых и необратимых процессов развивается в статистической термодинамике. Системы, в которых протекают необратимые процессы, изучает термодинамика необратимых процессов.
Обратимым процессом называют такой процесс, который может быть проведен в обратном направлении таким образом, что система будет проходить через те же состояния, что и при прямом ходе, но в обратной последовательности. Обратимым может быть только равновесный процесс.
Обратимый
процесс обладает следующими свойствами:
если при прямом ходе на каком-то
элементарном участке (рис. 9.8.) система
получает тепло
и
совершает работу
,
то при обратном ходе на том же участке
система отдает тепло
и
над ней совершается работа
.
По этой причине после протекания
обратимого процесса в одном, а затем в
обратном направлении и возвращение
системы в первоначальное состояние в
окружающих телах не должно оставаться
никаких изменений. Например шарик на
пружине в вакууме колеблется бесконечно
долго.
В том случае, когда после завершения прямого и обратного процессов система вернулась в первоначальное состояние и в окружающей среде остались изменения, процесс является необратимым. Очевидно, что все процессы в природе необратимые.
Круговым процессом (или циклом) называется такой процесс при котором система после ряда изменении возвращается в исходное состояние. На графике цикл изображается замкнутой кривой Работа совершаемая при круговом процессе, численно равна площади охватываемой кривой. После совершения цикла система возвращается в прежнее состояние. Поэтому всякая функция состояния, в частности внутренняя энергия, имеет в начале и в конце цикла одинаковое значение.