4.2. Второй закон
Второй закон термодинамики связан с необратимостью (односторонней направленностью) всех естественных процессов, происходящих в макромире. Его наиболее общая формулировка, состоящая в утверждении о том, что природа стремится к переходу от менее вероятных состояний к более вероятным, принадлежит Больцману. Являясь статистическим законом, второй закон термодинамики отражает поведение большого числа частиц, входящих в состав изолированной системы. Самым вероятным состоянием изолированной термодинамической системы, состоящей из большого, но конечного числа частиц, является состояние ее внутреннего равновесия, которому соответствует достижение максимального значения энтропии. Поэтому второй закон нередко называют законом возрастания энтропии. Отправным моментом к установлению второго закона явилось положение Карно о том, что необходимым условием получения работы с помощью тепловых машин является наличие как минимум двух источников теплоты: горячего (верхнего) и холодного (нижнего). Это связано с тем, что теплота, полученная рабочим телом от верхнего источника, не может быть полностью превращена в механическую работу. Часть ее должна быть обязательно отдана нижнему источнику теплоты (теплоприемнику).
Приведем несколько
формулировок второго закона, относящихся
к тепловым машинам: 1) вечный двигатель
второго рода, т.е. воображаемый тепловой
двигатель, в котором осуществляется
стопроцентное превращение теплоты в
работу, невозможен (постулат Оствальда);
2) невозможно создать периодически
действующую машину, совершающую
механическую работу только за счет
охлаждения теплового резервуара
(постулат Кельвина); 3) самопроизвольный
переход теплоты от более холодных тел
к более горячим, невозможен (постулат
Клаузиуса) [3]. Все эти формулировки,
различающиеся по форме, эквивалентны
по существу, так как напрямую связаны
с принципом невозможности убывания
энтропии изолированной системы.
Энтропия есть величина, изменение
которой ds
в любом обратимом элементарном
термодинамическом процессе равно
отношению тепла dq,
участвующего в данном процессе, к
абсолютной температуре тела Т:
,
отсюда
– аналитическое выражение второго
закона термодинамики для обратимых
процессов.
Сопоставляя уравнения для первого и второго законов термодинамики для одного 1 кг газа, получаем уравнения, называемые термодинамическими тождествами для обратимых процессов:
,
.
5. Процессы изменения состояния идеальных газов
Из всего многообразия термодинамических процессов рассмотрим такие, в которых какой-либо параметр остается постоянным. К таким процессам относятся:
процесс при постоянном объеме (v = const) – изохорный;
процесс при постоянном давлении (p = const) – изобарный;
процесс при постоянной температуре (T = const) – изотермический;
процесс без теплообмена с окружающей средой (dq = 0) – адиабатный;
процесс при постоянной теплоемкости (с = const) – политропный.
Рассмотрение этих процессов имеет большой практический смысл, так как в ряде случаев реальные процессы протекают именно в таких условиях или близких к ним.
Все процессы считаем обратимыми, все величины, зависящие от массы газа, будем относить к 1 кг массы.