2.3 Энтропия

Первое начало термодинамики определяет внутреннюю энергию газа как некоторую термодинамическую функцию состояния системы.

Термодинамической функцией, независящей от пути перехода газа из одного состояния в другое, а зависящей только от начального и конечного состояния системы, является также величина, называемая энтропией S.

Изменение этой величины задается отношением отдаваемого или принимаемого тепла к температуре теплопередачи:

(2.3.1)

Для изотермического процесса в газе согласно 2.1.2

Так как температура системы пропорциональна средней кинетической энергии, приходящейся на одну степень свободы беспорядочного движения газовых молекул, то энтропия газа при температуре Т показывает число «носителей» энергии в 1 моле газа:

Нулевое значение энтропии S₀=0 соответствует состоянию газа, при котором отсутствует беспорядочное движение его молекул, что имеет место при температуре абсолютного нуля. В изолированных адиабатических процессах энтропия системы остается постоянной, так как Q=0 и при T0 S=0, т.е. S=const.

Для обратимого процесса, график которого в координатах р,V образует контур,

(2.3.2)

В случае необратимого цикла

В молекулярно- статическом смысле энтропия представляет собой величину, пропорциональную логарифму вероятности термодинамического состояния вещества S=klnW. Таким образом, энтропию системы можно рассматривать как количественную меру беспорядка в системе.

Естественные процессы стремятся перевести систему в состояние с большим беспорядком.

2.4 Второе начало термодинамики

Первое начало термодинамики представляет собой обобщенный закон сохранения и превращения энергии. Вместе с тем сохранение энергии возможно лишь для обратимого процесса. Обратимый процесс – это такой процесс, который протекает медленно, так что его можно рассматривать как последовательный переход от одного равновесного состояния к другому, причем весь этот процесс можно провести в обратном направлении без изменения совершенной работы и переданного количества теплоты.

В природе такие процессы в чистом виде не наблюдаются, и второе начало термодинамики позволяет судить о том, какие процессы возможны, а какие невозможны.

Любой вид энергии может быть полностью преобразован в тепло, однако хаотичное движение молекул нельзя полностью превратить в другой вид энергии. Беспорядочное движение молекул есть естественное состояние вещества, и, следовательно, тепло, воспринятое им, не может быть полностью преобразовано в механическую работу. Механическая энергия является упорядоченной формой энергии, в то время как внутренняя энергия – разупорядоченной. Эти положения и составляют второе начало термодинамики.

Периодический процесс, единственным результатом которого было бы преобразование отобранной у источника теплоты Q в эквивалентную работу А=(А=Q), невозможен.

Все естественные (необратимые) термодинамические процессы протекают в направлении возрастания энтропии.

Таким образом, свободной энергией, т.е. энергией, которая может быть преобразована в механическую работу, является только некоторая часть полной энергии. Второе начало термодинамики подразделяет все процессы на наблюдаемые в природе и ненаблюдаемые. В любом естественном (необратимом) процессе некоторое количество энергии становится недоступным для получения с его помощью полезной работы. С течением времени энергия изменяется, переходя из более упорядоченной формы в менее упорядоченные.