§14. Второе начало термодинамики.

Обратимы те процессы, при которых степень беспорядочности молекулярных движений во всей системе участвующих тел не увеличивается и энтропия системы остается постоянной. Необратимые же процессы идут сами собой в направлении, при котором степень заотичности молекулярных движений увеличивается и энтропия всей системы возрастает.

2-е начало тер-ки: При всех процессах, происходящих в макроскопической системе, система не может самопроизвольно переходить из более вероятного состояния в менее вероятное. Конечное состояние всегда имеет туже или большуу вероятность и энтропию. Краткая математическая запись:

(14.1).

Клаузиус: теплота никогда не может переходить сама собой от тел с более низкой температурой к телам с более высокой температурой.

Томсон и Планк: В природе не возможен процесс, полный эффект которого состоял бы только в охлаждении теплового резервуара и в эквивалентном подъеме груза (т.е. эквивалентной механической работе).

Эти формулировки эквивалентны.

Вечный двигатель 2-го рода – машина, работающая за счет ВЭ одного теплового резервуара. Тогда 2-е начало: Перпетуум мобиле второго рода невозможно.

2-е начало термодинамики имеет границы применимости:

1) Поэтому неравенство (14.1), строго говоря, следует формулировать так: наиболее вероятным изменением энтропии системы является ее возрастание.

2-еНТ как и все выводы статистической физики справедливы с точностью до флуктуаций. Флуктуации плотности и давления – это процессы, при которых энтропия может убывать.

С точки зрения МКТ увеличение энтропии есть лишь наиболее вероятный, но отнють не обязательный путь развития системы. Уменьшение энтропии не невозможно, а маловероятно.

2) Конечное состояние почти изолированной системы зависит от состояния резервуара, в котором она находится, к-е будет определять все статистические закономерности системы.

3) Бессмысленно применять законы статистической физики к незамкнутой системе, такой как Вселенная в целом – системе безграничной и развивающейся.

§15. Третье начало термодинамики - теорема Нернста. Цикл Карно.

Система, находящаяся в равновесии при абсолютном нуле, не может больше отдавать энергию окружающим телам, и ее ВЭ распределена между составляющими ее частицами одним-единственным определенным способом. Благодаря полной упорядоченности этого единственного состояния его термодинамическая вероятность W=1, тогда .

Первые два начала термодинамики дополняются третьим – теоремой Нернста-Планка: энтропия всех тел в состоянии равновесия стремится к нулю по мере приближения температуры к нулю Кельвина: .

Т.к. энтропия определяется с точностью до постоянной, то эту постоянную удобно взять равной 0. Из теоремы Нернста-Планка следует, что теплоемкости С_р и С_V тоже при Т=0 равны нулю.

Идея вечного двигателя ( с КПД=1) означает, что все полученное тепло от нагревателя должно переводиться в работу. Французский физик и инженер Н.Л.С. Карно (1796-1832) показал, что для работы теплового двигателя необходимо не менее двух источников теплоты с различными температурами, иначе это бы противоречило 2-му началу термодинамики.

Принцип действия теплового двигателя и холодильной машины:

В ывод: без совершения работы нельзя отбирать тепло от менее нагретого тела и отдавать ее более нагретому. Это утверждение есть не что иное как 2-е начало тер-ки в формулировке Клаузиуса.

Но оно не запрещает переход теплоты от менее нагретого тела к более нагретому (ведь такой переход имеет место в холодильной машине), но при этом надо помнить, что этот переход не является единственным результатом процесса.

Т еорема Карно: из всех периодически действующих тепловых машин, имеющих одинаковые температуры нагревателей (Т₁) и холодильников (Т₂), наибольшим КПД обладают обратимые машины; при этом КПД обратимых машин не зависят от природы рабочего тела (тела, совершающего круговой процесс и обменивающегося энергией с другими телами) и равны при одинаковых Т₁ и Т₂.

Цикл Карно - наиболее экономичный цикл – состоит из 2 изотерм и 2 адиабат (рис). Рабочее тело – идеальный газ под поршнем в сосуде.

- работа изотермического расширения; - работа адиабатического расширения за счет ВЭ; - работа изотермического сжатия; . Суммарная работа: A=Q₁-Q₂.

Термический КПД цикла Карно с учетом уравнений адиабат (Пуассона): , откуда . Подставим:

, т.е.

для цикла Карно КПД определяется значениями температур нагревателя и холодильника. Для его повышения необходимо увеличивать разность температур. Для всякого реального теплового двигателя из-за трения и неизбежных тепловых потерь КПД гораздо меньше вычисленного для цикла Карно.

Обратный цикл Карно лежит в основе тепловых насосов.

Теорема Карно послужила основанием к созданию термодинамической шкалы температур: , т.е. для сравнения температур необходимо осуществить обратимый цикл Карно, в котором одно тело используется в качестве нагревателя, другое – холодильника. Причем из теоремы Карно следует, что на результаты сравнения температур не окажет влияние химический состав тел.