1.2 Перший закон термодинаміки

Перший закон термодинаміки є окремим випадком закону збереження енергії. Можна надати кілька його рівноцінних формулювань:

• Енергія не зникає без сліду і не виникає з нічого, а тільки переходить із одного виду в інший або від однієї системи до іншої у строго еквівалентній кількості.

• В ізольованій системі загальний запас внутрішньої енергії є величина стала.

• Вічний двигун І роду, тобто періодично діюча машина, що виконує роботу, не витрачаючи при цьому енергії, неможливий.

Перший закон термодинаміки можна виразити аналітично у вигляді рівняння:

Q = U + А. (1.1)

Тобто теплота – Q, що надається системі, витрачається на збільшення її внутрішньої енергії – U та роботу – А, що виконується цією системою.

1.3 Другий закон термодинаміки

Другий закон термодинаміки дає можливість зробити висновок про можливість та напрямок перебігу фізико-хімічних процесів. Існує декілька формулювань ІІ закону термодинаміки:

• Теплота не може самочинно переходити від холодного тіла до більш гарячого (постулат Клаузіуса).

• Різні види енергії прагнуть перетворитися на теплоту, яка в свою чергу розсіюється, тобто рівномірно розподіляється у просторі (постулат Томсона).

• Будь-яка форма енергії може повністю перетворитися на теплоту, але теплота перетворюється в інші форми енергії лише частково (постулат Планка).

• Вічний двигун ІІ роду, тобто машина, що повністю перетворює всю одержану теплоту на роботу, неможливий (постулат Освальда).

Ентропія. Усі самочинні фізико-хімічні процеси поділяються на оборотні і необоротні. Якщо після перебігу процесу система і навколишнє середовище повертаються в первісний стан, то такий процес називається оборотним.

Відношення теплоти процесу до температури, за якою він відбувається, називається приведеною теплотою. Це функція, що характеризує стан системи, яка пізніше дістала назву ентропія – S = . Для будь-яких самочинних процесів:

S₂ – S₁ = S .0 (1.2)

Рівняння (1.2) є аналітичним виразом ІІ закону термодинаміки. Тобто ентропія ізольованої системи під час перебігу в ній оборотних процесах не змінюється (S₂=S₁), а під час перебігу необоротних процесів – збільшується (S₂S₁), доки система не перейде у рівноважний стан, де ентропія сягає максимуму.

Отже, в ізольованих системах можливість перебігу процесів визначається за зміною ентропії: процес відбувається самочинно, якщо ентропія системі при цьому збільшується – S0. Відомо, що молекули, атоми, іони перебувають у безперервному хаотичному русі, безперервно змінюючи свій стан – змішуються, розсіюються. Будь-яка термодинамічна система прагне перейти у більш невпорядкований стан. Кількісною мірою невпорядкованості системи є ентропія. Чим більша ентропія, тим вищим є ступінь невпорядкованості даної системи. Згідно з постулатом Планка ентропія ідеального кристала простої речовини за температури 0 К наближається до нуля. У разі переходу речовини з твердого стану у рідкий, і тим більше у газоподібний стан або плазму значення її ентропії стрімко зростає.