54. Второе начало термодинамики. Формулировки второго начала термодинамики. Понятие обратимого и необратимого процессов.
Существует ряд формулировок второго начала термодинамики:
2 начало термодинамики определяет условия, при которых возможны превращения одних видов энергии в другие, а также определяет направление этих процессов.
Клаузиус 1850: Невозможен самопроизвольный переход тепла от менее к более нагретому телу, или невозможны процессы, единственным результатом которых была бы передача тепла от менее к более нагретому телу.
Кельвин 1851: Невозможны процессы, единственным результатом которых был бы процесс превращения теплоты целиком в работу.
Планк: Невозможно создать периодически действующую тепловую машину, вся деятельность которой сводилась бы к поднятию некоторого груза и соответствующему охлаждению теплового резервуара. 2-я формулировка Планка: Вечный двигатель 2-го рода невозможен.
Процессы бывают обратимые и необратимые. Термодинамический процесс называется обратимым, если он может быть проведен как в прямом, так и в обратном направлении через одни и те же состояния. При этом в окружающих термодинамическую систему телах никаких изменений не должно произойти. В противном случае процесс называется необратимым.
Компенсация – затрата энергии, совершаемая при переводе системы из менее нагретого состояния в более нагретое.
Тепловые процессы – необратимы, механические процессы – обратимы.
В качестве примера обратимого процесса в механике можно привести движения математического маятника. При отсутствии сил трения в подвесе и сопротивления среды колебательное движение маятника обратимо во времени. Механические процессы при наличии сопротивления и трения необратимы, поскольку связаны с необратимыми изменениями состояния окружающей среды.
Примерами необратимых процессов в молекулярной физике могут служить расширение газа в пустоту и переход теплоты от более нагретого тела к менее нагретому. Если с помощью каких-то механизмов осуществить эти процессы в обратном направлении и вернуть систему в исходное состояние, то в окружающих телах обязательно возникнут изменения, связанные с превращением некоторого количества механической энергии в тепловую.
55. Неравенство Клаузиуса. Энтропия. Статистический вес макроскопических состояний. Формула Больцмана. Свойства энтропии.
2 начало т/д. определяет условия, при которых возможно превращение одних видов Е в другие, а также можно указать возможное направление протекания этих процессов. 1850-Клаузиус-невозможен самопроизвольный переход тепла от менее к более нагретому телу, или не возможны процессы, единственным результатом которых была бы передача тепла от менее к более нагретому телу. (формулировка Клаузиуса). Неравенство Клаузиуса выражает теорему термодинамики для кругового процесса:
Неравенство (Q1/T1)-(Q2/T2)≤0 показывает, что любой произвольный циклический (тепловой) процесс происходит в направлении понижения температуры.
Неравенство
Клаузиуса можно записать:
кол-во
теплоты, сообщаемое системе (или
отводимое от неё) на бесконечно малом
участке цикла, Т – абсол. температура
соответств. элемента среды.
–в случае обратимых процессов.
Неравество Клаузиуса позволяет ввести понятие энтропии S(p;V;T). В статистической физике энтропия явл. мерой вероятности осуществления какого-либо макроскопического состояния.
Энтропия
– величина аддитивная. Если есть две
подсистемы, энтропии которых известны,
то энтропия системы, сост. из этих
подсистем, будет равна сумме их
энтропий.
Процесс
перехода из состояния 1 в состояние 2 в
принципе может быть неравновесным, но
если он равновесный, то изменение
энтропии можно рассчитывать. Энтропия
является функцией состояния.
Замкнутый
теплоизолированный сосуд объёмом V0
c
идеальным газом. А=0- работу газ не
совершает, при перестановке перегородки
из V1
в
V2
он просто расширяется.
Если процесс явл-ся адиабатическим (без обмена теплотой), то δQ=0, dS=0
Q=A= ϑRTln(V2/V1)
∆S=Q/T=ϑRln(V2/V1)=ϑkNA ln(V2/V1)=kNln(V2/V1). (R=NA k)
Рассмотрим вероятность того, что одна частица будет находится в объёме, который явл. частью всего объёма системы. Чем больше V, который мы рассматриваем, тем больше вероятность найти частицу.
Используя выражения (V1/V0)N=p1 и (V2/V0)N=p2 , получаем:
∆S=kNln(V2/V1)= kln(V2/V1)N= kln(p2/p1).
Статистический вес-число способов, или число макросостояний, которыми можно реализовать данное состояние (Ω). Макросостояние – состояние в-ва, характеризуемое термодинамическими параметрами (объем, давление, температура, внутренняя энергия).
p1~
Ω1,
p2~
Ω2
⇒∆S=kln(Ω2/
Ω1);
- Формула
Больцмана, где
;
W=(Ω2/
Ω1)
-
вероятность данного состояния.
Равновесное сост., кот. формируется у системы, характеризуется тем, что с течением времени не изменяются т/д характеристики. - В равновесном сост. энтропия максимальна. - В изолированной системе, процессы, протекающие произвольно, идут в направлении возрастания энтропии.
5 определение 2-го начала термодинамики: все самопроизвольные процессы в изолированной системе протекают в сторону возрастания энтропии.
Свойства S: 1) Функция состояния S зависит от набора термодинам. параметров. Если рассмотреть процесс адиабатический (система не обменивается теплотой с окружающей средой), то изменение S в таком процессе=0, из этого следует, что это изоэнтропийный процесс. 2) S-величина аддитивная (S =S1+S2+S3…+Sn). 3) S изолированной системы либо возрастает, либо const 4) Если ∆S=0, то в этой системе возможны и прямые и обратные процессы. Если ∆S >0, то процесс может идти только в одну сторону (обратный процесс невозможен). ∆S <0 не может быть в изолированной системе. Статистическое толкование: энтропия является мерой неупорядоченности системы.