12.3 Первый закон термодинамики

Термодинамика (от греч. therme – тепло + dynamis – сила) – раздел физики, изучающий соотношения и превращения теплоты и других форм энергии. В отдельные дисциплины выделились химическая термодинамика, изучающая физико-химические превращения, связанные с выделением или поглощением тепла, а также теплотехника.

Термодинамическая система – совокупность физических тел, которые могут энергетически взаимодействовать между собой и с другими телами, а также обмениваться с ними веществом. Термодинамическая система состоит из большого количества частиц и подчиняется в своем поведении статистическим закономерностям, проявляющимся на всей совокупности частиц. Для термодинамических систем выполняются законы термодинамики.

Закрытая термодинамическая система – термодинамическая система, которая не может обмениваться с внешней средой веществом.

Открытая термодинамическая система – термодинамическая система, которая обмени-вается веществом и энергией с другими системами.

Изолированная система (замкнутая система) – термодинамическая система, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией.

Первый закон термодинамики является обобщением закона сохранения и превращения энергии для термодинамической системы. Он формулируется следующим образом: изменение ΔU внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты Q, переданной системе, и работой A, совершенной системой над внешними телами. Математически закон описывается следующей формулой:

ΔU = Q – A.

Соотношение, выражающее первый закон термодинамики, часто записывают в другой форме: количество теплоты, полученное системой, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение работы над внешними телами, или математически:

Q = ΔU + A.

Первый закон термодинамики является обобщением опытных фактов. Согласно этому закону, энергия не может быть создана или уничтожена; она передается от одной системы к другой и превращается из одной формы в другую. Важным следствием первого закона термодинамики является утверждение о невозможности создания машины, способной совершить полезную работу без потребления энергии извне и без каких-либо изменений внутри самой машины. Такая гипотетическая машина получила название вечного двигателя (perpetuum mobile) первого рода. Многочисленные попытки создать такую машину неизменно заканчивались провалом. Любая машина может совершать положительную работу A над внешними телами только за счет получения некоторого количества теплоты Q от окружающих тел или уменьшения ΔU своей внутренней энергии.

Таким образом, постепенно, на протяжении более четырех десятилетий сформировался один из самых великих принципов современной науки, приведший к объединению самых различных явлений природы. Этот принцип заключается в следующем: существует определенная величина, называемая энергией, которая не меняется ни при каких превращениях, происходящих в природе. Исключений из закона сохранения энергии не существует.

12.4 Второй закон термодинамики

Второй закон термодинамики, как и первый (закон сохранения энергии) установлен эмпирическим путем. Впервые его сформулировал Клаузиус: "Теплота сама собой переходит лишь от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой и не может самопроизвольно переходить в обратном направлении". Другая формулировка: все самопроизвольные процессы в природе идут с увеличением энтропии. Энтропия – мера хаотичности, неупорядоченности системы.

Рассмотрим систему из двух контактирующих тел с разными температурами. Тепло пойдет от тела с большей температурой к телу с меньшей до тех пор, пока температуры обоих тел не выровняются. При этом от одного тела к другому будет передано определенное количество тепла dQ. Но энтропия при этом у первого тела уменьшится на меньшую величину, чем она увеличится у второго тела, которое принимает теплоту, так как по определению

dS = dQ/T (температура в знаменателе!).

То есть, в результате этого самопроизвольного процесса энтропия системы из двух тел станет больше суммы энтропий этих тел до начала процесса. Иначе говоря, самопроизвольный процесс передачи тепла от тела с высокой Т к телу с более низкой Т привел к тому, что энтропия системы из этих двух тел увеличилась!

Заметим, что, рассматривая эту систему из двух тел, мы подразумевали, что внешнего теплопритока в нее или теплооттока из нее нет, то есть считали ее изолированной (или замкнутой). Отсюда еще одна формулировка второго закона термодинамики: "При прохождении в изолиро-ванной системе самопроизвольных процессов энтропия системы возрастает". Или: "Энтропия изолированной системы стремится к максимуму" – так как самопроизвольные процессы передачи тепла всегда будут происходить, пока есть перепады температур.

А что будет, если наша система из двух тел будет неизолирована (незамкнута) и, допустим, в нее поступает тепло? Ясно, что ее энтропия будет увеличиваться еще больше, так как при получении телом тепла энтропия его увеличивается (dS = dQ/T). Но для простоты формулировки этот момент обычно не упоминают и поэтому формулируют второй закон термодинамики именно для изолированных систем. Хотя, как мы видим, он действует точно также и для открытых систем в случае поступления в них тепла.