Второй закон термодинамики как принцип направленности теплообмена (от горячего к холодному)

Другая эквивалентная формулировка II закона термодинамики: невозможна переход тепла от тела боле холодного к менее нагретому без каких-либо других изменений в системе или окружающей среде (Р. Клаузиус).

Обратимым термодинамическим процессом называется такой процесс, допускаемый возможность возвращения системы в первоначальное состояние без того, чтобы в окружающей среде остались какие-либо изменения.

Необходимым и достаточным условием обратимости термодинамического процесса является его равновесность. Равновесный процесс – бесконечно медленный процесс, в котором термодинамическая система проходит через ряд бесконечно близких друг к другу равновесных состояний.

Необратимым термодинамическим процессом называется термодинамический процесс, не допускающий возможности возвращения системы в первоначальное состояние без того, чтобы в окружающей среде остались какие-либо изменения.

Все реальные процессы протекают с конечной скоростью. Они сопровождаются трением, диффузией и теплообменом при конечной разности между температурами системы м внешней среды. Следовательно, все они неравновесны и необратимы.

Изменение энтропии тел при теплообмене между ними

Из второго закона термодинамики следует, что в необратимом элементарном процессе изменение энтропии системы

ΔS > ΔQ / Т,

где ΔQ – тепло, сообщенное системе в этом процессе внешним телом, температура которого равна Т (в случае отдачи тепла системой ΔQ < 0).

Для произвольного элементарного процесса

ΔS ≥ ΔQ/ Т,

где знак равенства относится к обратимым процессам,

а знак неравенства – к необратимым.

Смысл энтропии как меры вероятностного состояния сохраняется по отношению к произвольным (не обязательно) равновесным состояниям. В состоянии равновесия энтропия имеет максимально возможное в данных условиях значение. Это означает, что равновесное состояние является состоянием с максимальным статистическим весом наиболее вероятностным состоянием. Процесс перехода из неравновесного состояния в равновесное есть процесс перехода из менее вероятностных состояний в более вероятные. Это выясняет статистический смысл закона возрастания энтропии, согласно которой энтропия замкнутой системы может только увеличиваться.

5.4. Энтропия и информация.

Энтропия – это мера хаоса, показывающая способность энергии к превращениям. Чем больше энтропия системы, тем меньше заключенная в системе энергия способна к превращениям. Согласно II закону термодинамики в замкнутой системе энтропия возрастает, достигая максимума в состоянии равновесия, когда энергия превращается в теплоту. Применяя II закон термодинамики к миру в целом, Клаузиус и Томсон пришли к выводу о неизбежности тепловой смерти Вселенной, рассматриваемой как замкнутая система. В статистической физике возрастание энтропии означает переход системы от менее вероятностных состояний к более вероятностным.

В понимании Н. Винера информация есть прямая противоположность энтропии. Количество информации в системе есть мера организованности системы точно так же, как энтропия системы есть мера ее дезорганизованности. Чем больше информации в системе, тем менее вероятно ее внутреннее состояние.

Изучение хаоса, организации и самоорганизации на базе идей энтропии и информации позволяет подойти к исследованию проблем возникновения жизни и вообще возникновения нового. Оказывается, что между состояниями абсолютной случайности абсолютного порядка существуют промежуточные состояния диссипативного хаоса, порождающие элемент «неожиданности» поведения, который, в свою очередь, порождает при определенных условиях и ограничениях новую информацию и организацию. Таким образом, возможно случайное появление порядка из хаоса, что приводит в выводу об одинаковой вероятности перехода системы как от порядка к беспорядку (нарастание энтропии), так и наоборот – от беспорядка к порядку (снижение энтропии). Следуя этой логике, надо признать закономерность появления все более сложных форм существования материи во Вселенной, включая жизнь. В том случае если снижение энтропии происходит за счет внешнего воздействия на систему, можно говорить о процессе организации. В том случае если снижение энтропии происходит за счет случайных внутренних согласований поведения отдельных элементов системы, можно говорить о самоорганизации системы.