Первое начало термодинамики.

Существует два способа изменения состояния системы: к ней подводится тепло Q и над ней совершается работа А. В общем случае, переход системы из одного состояния в другое связан с сообщением системе некоторого количества теплоты ΔQ и совершением системой работы ΔА над внешними телами.

Первое начало термодинамики утверждает, что если система совершает термодинамический цикл (то есть возвращается в исходное состояние), то полное количество теплоты, сообщенное системе на протяжении цикла, равно совершенной ею работе.

Другая формулировка: если к системе подводится тепло Q и над ней производится работа А, то энергия системы возрастает до величины U = Q + A.

Первое начало термодинамики есть выражение закона сохранения энергии для систем, в которых существенную роль играют тепловые процессы. Теплота и работа энергетически эквивалентны и измеряются в одних и тех же единицах. Энергия U является внутренней энергией и функцией состояния системы.

Второе начало термодинамики.

Первое начало термодинамики не исключает создания такой машины непрерывного действия, которая была бы способна превращать в полезную работу практически всю подводимую к ней теплоту (так называемый вечный двигатель второго рода). Однако КПД тепловых машин меньше единицы. Часть теплоты рассеивается в окружающую среду. Карно показал, что любая тепловая машина должна содержать помимо нагревателя (источника теплоты) и рабочего тела, совершающего термодинамический цикл (например, пара), также и холодильник, имеющий температуру более низкую, чем температура нагревателя. Клаузиус дал второму началу термодинамики следующую формулировку: теплота не может самопроизвольно перейти от системы с меньшей температурой к системе с большей температурой. Он показал, что в любом непрерывном процессе превращения теплоты от нагревателя в работу, непременно должна происходить отдача теплоты холодильнику.

Если машина работает на основе цикла Карно, то на протяжении изотермического контакта с нагревателем (Т = Т₁), рабочее тело получает количество теплоты Q₁, а на другом изотермическом участке, находясь в контакте с холодильником (Т = Т₂), отдает ему количество теплоты Q₂. Отношение Q₂/Q₁ должно быть одним и тем же у всех машин с обратимым циклом Карно, у которых одинаковы соответственно температуры нагревателей и холодильников, и не может зависеть от природы рабочего тела. Это отношение называется пропорцией Карно: Q₂/Q₁ = Т₂/Т₁.

В 1865 году Клаузиус ввел понятие энтропии как функции, которая подобно энергии, давлению, температуре, характеризует состояние газа. Когда к газу подводится некоторое количество теплоты ΔQ, то энтропия изменяется на величину ΔS = ΔQ/T. Больцман связал понятие энтропии с вероятностью.

Для объяснения направленности процессов в природе вводят понятие термодинамической вероятности. Термодинамической вероятностью данного состояния некоторой системы (W) называется число комбинаций отдельных элементов системы, или число микросостояний, с помощью которых реализуется это состояние. Предположение о том, что все микросостояния, соответствующие данному макросостоянию равновероятны, носит название эргодической гипотезы. Вероятность состояния (р) – это доля времени, в течение которого система находится в данном состоянии. Она пропорциональна термодинамической вероятности. Термодинамическая вероятность системы, состоящей из двух частей с термодинамическими вероятностями W₁ и W₂ равна произведению термодинамических вероятностей частей системы W = W₁W₂. Для практического анализа используют не термодинамическую вероятность, а функцию, называемую энтропией. По формуле Планка энтропия: S = klnW, где k – постоянная Больцмана. В замкнутых системах энтропия не убывает ΔS ≥ 0. Если ΔS = 0, процесс обратимый, если ΔS > 0 – необратимый. Когда энтропия системы возрастает, то соответственно усиливается беспорядок в системе. В этом случае второе начало термодинамики постулирует, что энтропия замкнутой системы постоянно возрастает. Если система изотермически получает (∆Q > 0) или отдает (∆Q < 0) некоторое количество теплоты ∆Q, то изменение энтропии ΔS ≥ Q/T (формула Клаузиуса). Для анализа неизотермических процессов переходят к интегралу ΔS ≥ ∫dQ/T. Такие системы эволюционируют в сторону увеличения в них беспорядка, хаоса и дезорганизации. Термодинамика впервые ввела в физику понятие времени в форме необратимого процесса возрастания энтропии в системе. Такое понятие эволюции системы противоречит понятию эволюции, которое лежит в основе теории Дарвина. В процессе эволюции Дарвина происходит усложнение организации, в термодинамике эволюция связывается с дезорганизацией систем. Это противоречие оставалось неразрешенным вплоть до 60х годов 20 века, пока не появилась новая неравновесная термодинамика, которая оперирует с открытыми системами, живущими за счет заимствования порядка из внешней среды.