1.7.1. Основные закономерности движения энергии
Понятие энергии определяется как способность совершать работу. Впервые наиболее полно понятие энергии было исследовано в термодинамике, что отражено в формулировке двух основополагающих законов, описывающих свойства энергии:
1) первый закон термодинамики (принцип сохранения энергии) - энергия может переходить из одной формы в другую, но она никогда не исчезает и не создается заново;
2) второй закон термодинамики (принцип роста энтропии) - все реальные процессы превращения энергии сопровождаются ростом энтропии, то есть переходом энергии в более рассеянное состояние. Потери энергии в виде недоступного для использования тепла всегда приводят к невозможности 100 %-го перехода одного вида энергии в другой.
Энтропия, или дословно “способность к превращению”, есть величина, определяющая качество и концентрацию энергии S=Q/T.
1.7.2. Физический смысл энтропии
Известно, что во всех естественных процессах теплообмена тепло передается только от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой и никогда наоборот (невозможно смешать в одном объеме горячую воду и холодную, а затем разделить в разные объемы получившуюся в результате смешивания теплую воду снова на горячую и холодную).
1
.
2.
|dS1| < |dS2|
Рис. 1.19. Возрастание суммарной энтропии системы в процессе теплопередачи
То есть если от тела 1 с температурой Т1 и энтропией S1=Q1/T1 отводится к телу 2 с температурой Т2 (Т1>Т2) и энтропией S2=Q2/T2 некоторое количество теплоты dQ, достаточно малое, чтобы температуры обоих тел не уменьшились значительно, то энтропия тела 1 изменится (уменьшится) на величину dS1=dQ/T1 (здесь dQ<0, следовательно, dS1<0), а энтропия тела 2 изменится (увеличится) на величину dS2=dQ/T2 (здесь dQ>0, следовательно, dS2>0), причем так как Т1>Т2, то по абсолютной величине |dS1| < |dS2|, поэтому общая энтропия двух тел S=S1+dS1+S2+dS2=S1-|dS1|+S2+|dS2| > S1+S2, то есть в процессе теплопередачи суммарная энтропия двух тел возрастает и никогда не убывает (рис. 1.19).
Это и есть формулировка второго закона термодинамики. То есть энтропия - это величина, характеризующая направление естественных процессов теплопередачи и вообще любых процессов преобразования энергии.
В более широком смысле под энтропией понимают меру качества, то есть меру концентрации и упорядочения энергии. Так тепловая энергия с большей температурой обладает меньшей энтропией S=Q/T, то есть большим качеством, чем такое же количество тепла при меньшей температуре. Поэтому по мере понижения температуры рабочего тела, например, пара, до температуры окружающей среды можно попутно превратить часть тепловой энергии в механическую работу (тепловая машина).
Чем больше качество энергии, то есть, чем больше превышение температуры пара над температурой окружающей среды, тем большее количество работы можно получить. Разные виды энергии обладают разным качеством.