2.5. Понятие энтропии. Второе начало термодинамики

Существует несколько формулировок второго начала термодинамики. Одной из центральных является следующая: невозможен процесс, единственным результатом которого было бы превращение теплоты в работу, то есть невозможен двигатель второго рода. Вечным двигателем второго рода называется двигатель, который, повторяя произвольное число раз один и тот же процесс, способен превращать в работу все тепло, полученное у какого-нибудь тела или тел, играющих роль источника, то есть не нуждается в телах, служащих для стока теплоты, не превращенной в работу.

Рассмотрим следующую формулировку с молекулярно-кинетической точки зрения. Молекулярно-кинетическая теория вещества ставит своей задачей объяснение макроскопических свойств тел, то есть молекулярных процессов, происходящих в телах. Причем значение макроскопических величин мы рассматриваем как средние величины, то есть величины, которые характеризуют рассматриваемый молекулярный процесс, например, среднее значение величины давления газа и т.д. Таким образом, беспорядочность движения молекул ведет к наличию определенных закономерностей. Макроскопические величины – давление, энергия, трение и т.д. – обладают определенным значением, потому что они являются средними значениями очень большого числа отдельных элементарных процессов. В то же время, при наблюдении явлений в малых масштабах, когда число наблюдаемых молекул невелико, должны встречаться отступления от установленных средних значений. Такое отступление называется флуктуацией.

Например, имеем

. (2.24)

Пусть газ состоит из 4-х молекул. В этом случае может произойти следующее: он вначале расширится, а затем вновь сожмется. Процесс расширения газа в данном случае оказался обратимым. Но обратимость такого процесса маловероятна при значительном количестве молекул. Если считать самопроизвольное расширение газа "положительным", а сжатие его "отрицательным", то можно сделать вывод: отрицательный процесс самопроизвольного сжатия газа весьма маловероятен. Или для всех процессов - необратимый процесс есть такой, обратный которому маловероятен. Это будет вторая формулировка второго начала термодинамики. И наконец, переход работы в теплоту означает то, что в результате действия внешних сил происходит усиление беспорядочного движения молекул. Следовательно, этот процесс сводится к переходу сравнительно упорядоченного движения в беспорядочное. Такой процесс вероятен. Переход теплоты в работу означает переход беспорядочного движения в упорядоченное - такой переход маловероятен.

Таким образом, второе начало термодинамики указывает на необратимость перехода работы в тепло, так как переход тепла в работу означает переход от более вероятного состояния к состоянию маловероятному. Отсюда вытекает третья формулировка: невозможен принцип осуществления такого периодического процесса, единственным результатом которого было бы получение работы за счет взятого количества тепла от одного источника. Или невозможно построить двигатель с КПД=1. Это естественно, так как для осуществления перехода теплоты в обратном направлении нужна работа против внешних сил.