§ 9.9. Второй закон (начало) термодинамики. Энтропия

Согласно первому закону термодинамики, могут протекать только такие процессы, при которых полная энергия системы остается неизменной. Например, превращение тепловой энергии целиком в механическую не связано с нарушением первого закона; тем не менее оно не возможно. Второй закон термодинамики еще больше ограничивает возможные процессы превращения.

Теплоту можно превратить в работу только при условии, что часть этой теплоты одновременно перейдет от горячего тела к холодному (принцип действия тепловых двигателей).

Устройство, которое вопреки этому закону получало бы тепловую энергию от нагревателя и производило равное количество механической энергии, называется вечным двигателем второго рода. (Пример: камень, который охлаждаясь поднимался бы вверх!)

Чтобы теплота могла перейти от холодного тела к горячему, необходимо затратить механическую работу (принцип действия холодильных машин). Отсюда следует, что в замкнутой системе в отсутствие каких-либо процессов не может сама по себе возникнуть и разность температур, т.е. теплота не может самопроизвольно перейти от более холодных частей системы к более горячим.

Все термодинамические процессы, протекающие в замкнутой системе, можно подразделить на обратимые и необратимые.

Термодинамический процесс обратим, если, протекая в обратном направлении, он возвращает систему в исходное состояние без затрат энергии.

В противном случае термодинамические процессы называются необратимыми. Они протекают самопроизвольно только в одном направлении.

Примеры обратимых процессов: движение планет, незатухающие колебания маятника, упругий удар, цикл Карно.

Примеры необратимых процессов: затухающие колебания маятника, неупругий удар, процессы с трением, диффузия, теплопередача, теплообмен.

Большинство процессов в технике представляют собой необратимые процессы или по крайней мере содержат этапы, являющиеся необратимыми процессами.

Из уравнений (9.32) и (9.35) для цикла Карно (обратимого) следует

и наконец,(9.36)

Это уравнение означает, что количество теплоты, полученное или отданное телом при обратимом процессе, пропорционально температуре.

Отношение Q/Tназываетсяприведенным количеством теплоты.

Сумма приведенных количеств теплоты при любом обратимом процессе равна нулю:

, (9.37)

или в дифференциальной форме

. (9.38)

Знак означает, что интеграл берется по замкнутому контуру (круговой процесс).

В каждом цикле обратимого процесса все термодинамические параметры принимают исходные значения, т.е. их изменение равно нулю, можно определить термодинамический параметр состояния — энтропиюSкак функцию, дифференциал которой равен

. (9.39)

Единица СИ энтропии .

Поскольку в уравнения обычно входит не сама энтропия, а ее изменение, за нулевое значение энтропии в технике обычно произвольно принимают ее значение, соответствующее температуре .

Воспользовавшись уравнением (9.39), получим следующее выражение для изменения энтропиипри переходе из состояния 1 в состояние 2:

. (9.40)

При обратимом процессе изменение энтропии .

При необратимом процессе изменение энтропии .

Все процессы в природе протекают в направлении увеличения энтропии.

Использование понятия энтропии позволяет очень просто сформулировать второй закон термодинамики:

. (9.41)

Энтропия замкнутой системы не может уменьшаться!

Неравенство (9.41) называется неравенством Клаузиуса.