Второе начало термодинамики

Коэффициент тепловой машины  не может быть равным единице, ибо Q₂ не может равняться нулю; это следует не из технического несовершенства машины, а из специфики теплового движения.

Невозможность превратить все количество тепла Q₁ в работу и вытекающая отсюда необходи­мость отдачи количества тепла Q₂ холодильнику представляет собой сущность второго начала термодинамики.

Имеется ряд формулировок этого начала. Например, выдающийся физик Томсоном выразил второе начало термодинамики в следующих словах:

Невозможно осуществить циклический про­цесс (т. е. круговой непрерывно повторяющийся процесс), единствен­ным результатом которого было бы превращение в работу теплоты, отнятой у какого-либо тела, без того, чтобы в окружающих телах произошли какие-либо изменения.

Машина, не отдающая тепло холодильнику, является вечным двигателем. Закон сохранения энергии здесь не нарушается, но опыт показывает, что такую машину (перпетуум мобиле второго рода) сконструировать нельзя. Поэтому второе начало термодинамики можно сформулировать так: перпетуум мобиле второго рода невозможен.

Понятие энтропии

Второе начало термодинамики можно понять, анализируя обра­тимые и необратимые процессы.

Необратимые процессы протекают в одном направлении: газ самопроизвольно расширяется, но не сжимается; тепло переходит от горячего тела к холодному и только при затрате работы — от холодного тела к горячему; при трении кинетическая энергия ма­кроскопического движения всегда превращается во внутреннюю энергию; обратный процесс самопроизвольно не идет.

Необратимость любых других процессов обусловлена тем, что в каждом из них в той или иной степени присутствует один из перечисленных односторонних процессов. В реальных процессах невозможно из­бежать ни трения, ни самопроизвольных расширений, ни теплового рассеяния.

Возникает вопрос: нет ли у всех перечисленных одно­сторонних процессов какого-либо общего признака? Оказывается, такой признак есть. Теоретическое изучение процессов термодина­мическим методом показывает, что можно ввести, как это сделал Клаузиус, новую функцию S — энтропию, которая, как и внутренняя энергия U, является функцией состояния: она опреде­ляется для квазистатического процесса при помощи соотношения:

,

где dQ - количество тепла, полученное телом при температуре T.

Физический смысл энтропии - она является мерой неупорядоченности системы. Чем больше энтропия, тем больше степень хаоса в системе.

Установлено, что все необратимые процессы протекают с уве­личением энтропии замкнутой системы. Данное выражение введено для обратимого (квазистатического) процесса; для необра­тимых (неквазистатических) процессов, при которых энтропия возрастает, получим:

Объединяя эти две формулы, имеем:

Если система теплоизолирована, то и

Эта формула также выражает второе начало термодинамики: энтропия теплоизолированной системы возрастает в необратимых процессах и остается постоянной в обратимых.

Если рассматривать любые другие процессы, где , и учитывать при этом энтропию не только тел, но и источников тепла, т. е. рассматривать замкнутую систему, то второе начало термоди­намики можно сформулировать так: в замкнутой системе при обратимом процессе энтропия остается постоянной, при необратимом — возрастает.

Иначе говоря, в замкнутой системе энтропия не убывает.

Энтропия возрастает до тех пор, пока система не достигнет равновесного состояния, при котором дальнейшее изменение состояния невозможно без внешних воздействий. При этом значение энтропии становится максимальным, то есть в равновесном состоянии степень хаотичности системы наиболее велика.

Основы молекулярной физики и термодинамики

Основные понятия молекулярной физики (атомная единица массы, количество вещества, моль, молярная масса, число Авогадро). Основные положения молекулярно-кинетической теории. Агрегатные состояния вещества, особенности строения твёрдых, жидких и газообразных тел.

Основное уравнение кинетической теории газов. Понятие идеального газа. Уравнение состояния идеального газа (уравнение Менделеева-Клапейрона). Объединенный газовый закон (уравнение Клапейрона), изопроцессы. Внутренняя энергия идеального газа. Работа в термодинамике. Первое начало термодинамики. Три вида теплопередачи. Применение первого начала термодинамики к изопроцессам. Понятие об адиабатическом процессе. Понятие теплоёмкости, удельная и молярная теплоёмкости. Теплоемкость газов, уравнение Майера.

Обратимые и необратимые процессы. Понятие о втором начале термодинамики и энтропии.

Жидкости. Молекулярное давление. Поверхностное натяжение. Капиллярные явления. Явление диффузии, вязкости (внутреннего трения), теплопроводности. Законы переноса.