1.3. Принцип возрастания энтропии. Уравнение энтропийного баланса. Необратимость и затрата работы

Принцип возрастания энтропии является обобщающим результатом второго начала термодинамики и вытекающих из него следствий. Второе начало термодинамики устанавливает невозможность передачи теплоты от тел с более низкой температурой телам с более высокой температурой без компенсации, или в другой формулировке - невозможность создания вечного двигателя 2-го рода. Исходя из этого, можно установить, что для любой системы, находящейся в равновесном состоянии или претерпевающей равновесные, т.е. обратимые изменения, существует однозначная функция состояния, называемая энтропией. Энтропия является координатой состояния и в этом смысле определяет количество теплоты при равновесных тепловых взаимодействиях. Для изолированной в тепловом отношении системы тел (адиабатная система) суммарное изменение энтропии s_i всех тел и подсистем, участвующих в любых обратимых процессах, включая изменение энтропии окружающей среды s₀ (если окружающая среда является частью рассматриваемой изолированной системы), равно нулю. Это можно записать следующим образом:

(6)

Эти уравнения выражают второе начало термодинамики для равновесных систем и обратимых процессов; индекс 0 у знака дифференциала означает, что в общем случае Q и L не являются функциями состояния, a d°Q и d°L - полными дифференциалами.

При любых необратимых процессах в замкнутой адиабатной системе (общая масса не изменяется) энтропия системы возрастает, т.е.

s_i + s₀ >0. (7)

Таким образом, общее выражение для суммарного изменения энтропии в замкнутой адиабатной системе тел при любых типах протекающих в системе процессов имеет вид:

s_i + s₀  0. (8)

Принцип возрастания энтропии и уравнения энтропийного баланса дают исключительно важные практические результаты. Прежде всего можно получить общие выражения для определения минимально необходимой работы (или электроэнергии) при реализации ряда актуальных задач криогеники в условиях закрытых и открытых подсистем с помощью обратимых процессов.

Определение минимально необходимой работы (энергии) для реализации какой-либо практической технической или технологической задачи имеет принципиальное значение. При этом возможны объективное сравнение реальных криогенных систем и оценка степени их термодинамического совершенства.

Принцип возрастания энтропии определяет направление какого-либо процесса или химической реакции в адиабатной макросистеме. Он отражает возможность или невозможность протекания процессов и определяет условия, необходимые для их осуществления.

1.4. Принцип недостижимости абсолютного нуля термодинамической температуры

Третье начало термодинамики также, как первое и второе, является результатом обобщения большого практического опыта. Одну из формулировок третьего начала дают в форме принципа недостижимости нуля термодинамической температуры (абсолютного нуля): никакая совокупность конечного числа процессов не может понизить термодинамическую температуру тела до нуля, иными словами, нуль термодинамической температуры достижим только асимптотически. К значению Т = 0 К можно приближаться сколь угодно близко, никог-да его не достигая. Действительно, накопленный практический опыт на пути достижения экстремально низких температур убедительно показывает, что с понижением достигаемой температуры в возрастающей прогрессии увеличиваются трудности для дальнейшего снижения температуры. Третье начало термодинамики отражает фундаментальные свойства материи при низких температурах.