7.2. Энтропия. Второе начало термодинамики.

Закон сохранения энергии устанавливает возможность взаимного превращения ее различных видов, но не указывает, имеется ли при этом преимущественная направленность. Опыт показывает, что в естественных процессах такая направленность существует. Например, любые виды энергии могут самопроизвольно и полностью переходить в теплоту, тогда как теплота может быть преобразована в другие виды энергии только с помощью машин или аппаратов и при этом не полностью, так как процесс преобразования связан с неизбежными потерями некоторой части теплоты. Эта теплота передается окружающим телам.

При теплообмене теплота переходит от тел с более высокой температурой к телам с более низкой температурой. Для того чтобы осуществить такой переход теплоты, требуются довольно сложные процессы, сопровождающиеся затратой дополнительной энергии.

Опыт показывает также, что чем выше температура тела теплоносителя по отношению к температуре окружающих тел, тем легче и с меньшими потерями можно преобразовать содержащуюся в нем теплоту в другие виды энергии, и, наоборот, практически невозможно преобразовать в другие виды энергии теплоту, распределенную («рассеянную») между телами с равномерной, относительно низкой, температурой. Рассеянная теплота является для человека бесполезной, как, например, то громадное количество теплоты, которое содержит вода морей и океанов при температуре, мало отличающейся то температуры окружающих тел.

Для оценки «качества» теплоты в указанных случаях пользуются величиной, называемой приведенным количеством теплоты (или просто приведенной теплотой) .Так называют количество теплоты , приходящееся на единицу абсолютной температуры , при которой теплота сообщается телу или отнимается от него: . Единицы приведенной теплоты - и .

При этом имеет значение не абсолютная величина приведенной теплоты, а ее изменение при тех или иных процессах: увеличение указывает на снижение возможностей преобразования теплоты, содержащейся в системе, в другие виды энергии, и наоборот.

В дальнейшем в термодинамику было введено понятие энтропии. Это величина, обозначаемая , по смыслу аналогичная приведенной теплоте и измеряется в тех же единицах ( или ).

Для вычисления изменения энтропии рассматриваемый процесс делится на достаточно малые участки, в пределах которых температуру можно считать постоянной. Элементарное приращение энтропии на таком участке приравнивается приведенному количеству теплоты , сообщенному при этом системе или отнятому от нее: .

В классической термодинамике рассматриваются только процессы, протекающие в изолированных системах. При этом изменение энтропии связывается с обратимостью или необратимостью этих процессов.

При обратимых (идеализированных) процессах энтропия остается неизменной: и .

Все реальные процессы связаны с определенными потерями энергии, которая переходит в рассеянную теплоту. Следовательно, все они в той или иной степени необратимы и характеризуются увеличением энтропии: .

Это положение и отражено во втором начале термодинамики: все реальные процессы изменения состояния в изолированной системе протекают с увеличением энергии.

В современной термодинамике кроме изолированной рассматриваются также закрытые и открытые системы.

Закрытой называется система, которая обменивается с окружающей средой только энергией. Изменение энтропии при этом обуславливается как процессами, протекающими в самой системе, так и теплообменом между системой и окружающей средой. При охлаждении, т. е. отдаче теплоты в окружающую среду, энтропия системы уменьшается. При условии, когда увеличение энтропии вследствие необратимых процессов внутри системы полностью компенсируется отдачей теплоты в окружающую среду, в системе устанавливается стационарное состояние (эквивалент равновесному состоянию в изолированной системе). При этом энтропия системы поддерживается на некотором постоянном уровне: .

Открытой называется термодинамическая система, которая может обмениваться с окружающей средой и энергией и веществом. Примером такой системы может служить процесс, при котором в систему непрерывно поступают исходные вещества, происходят их химические превращения с выделением теплоты и затем продукты реакции вместе с некоторой долей выделившейся теплоты удаляются в окружающую среду. Такой процесс характеризуется скоростью изменения энтропии , которая при установившемся процессе является постоянной величиной.