Обратимые и необратимые процессы

Под обратимым процессом понимают такой, после совершения которого термодинамическая система возвращается в свое исходное состояние без всяких изменений в окружающей среде. Рассмотрим, к примеру,падение стального шарика массой m с некоторой высоты h на стальную плиту (рис.3). В результате упругого удара шарик снова поднимается на исходную высоту. Следовательно, до падения и после совершения процесса шарик обладает одной и той же потенциальной энергией Е_п = mgh, т.е. система (шарик и плита) возвратилась в исходное состояние. Необратимым называют такой процесс, после совершения которого термодина-мическая система не возвращается в исходное состояние без изменений в окружающей среде. Например, нагретое тело отдает тепло до тех пор, пока не наступит тепловое равновесие. Никогда не бывает так, чтобы материальное тело, находящееся в тепловом равновесии со средой, самопроизвольно нагревалось,

Для возвращения системы в исходное состояние с первоначальной температурой необходимо его нагревание, т.е. соответствующее изменение в среде.

Анализ этих двух примеров позволяет сделать вывод, что мерой необратимости процесса служит тепло, которое теряется в окружающую среду при выполнении процесса. Если говорить совершенно точно, то и в первом случае, когда шарик падает на стальную плиту, процесс необратим. После многократных ударов высота подъема шарика будет уменьшаться, поскольку каждый удар о плиту не абсолютно упругий. Хоть и небольшая, но часть потенциальной энер

Рис. 4 гии теряется на преодоление сопротивления воздуха и на выделение тепла. В качестве меры необратимости процессов в термодинамике используется понятие энтропии: количество тепла, потерянное на один градус абсолютной температуры: S = Q/T.

Из определения этого понятия следует, что в ходе любого термодинамического процесса энтропия увеличивается тем больше, чем менее он приближается к обратимому.

Второй закон термодинамики

Многочисленные экспериментальные наблюдения показывают, что в любом реальном термодинамическом процессе нельзя избежать тепловых потерь в окружающую среду. Поэтому обобщение многочисленных экспериментальных наблюдений позволяет сформулировать второй закон термодинамики: теплота не может самопроизвольно переходить от тела с низкой температурой к телу с высокой. Это важное теоретическое обобщение экспериментальных наблюдений позволяет предсказать направление протекания реальных процессов - самопроизвольно могут осуществляться лишь такие процессы, которые сопровождаются тепловыми потерями и следовательно увеличением энтропии.

Из второго закона термодинамики следует, что нельзя изменение внутренней энергии полностью использовать для совершения работы - этот процесс обязательно сопровождается потерей энергии в виде тепла. Поэтому внутреннюю энергию можно представить в виде суммы связанной G и свободной F энергии: U = G + F. Поскольку связанная энергия не используется для совершения работы, а теряется в виде тепла, ее можно выразить через энтропию G = Q = ST. Для работы может быть использована только свободная энергия F = A. Поэтому

U = F + ST

Последнее выражение носит название объединенного первого и второго закона термодинамики.