Тема 1. 6. Второе начало термодинамики

Общая характеристика и формулировки второго начала термодинамики

1-е начало устанавливает количественные зависимости при взаимных превращениях энергии в термодинамических процессах.     Оно гласит, что невозможно получить работу без подвода тепла (вечный тепловой двигатель 1-го рода невозможен).

На основании 1-го начала можно считать осуществимым любой термодинамический процесс при одном только непременном условии, что он не противоречил бы закону сохранения энергии.

Однако 1-е начало не рассматривает вопрос о направлении происходящих процессов, не даёт возможных пределов превращения теплоты в работу.

Открытие 2-го начала связано с:                       – анализом работы тепловых машин и доказательством теоремы о КПД;                          – практическим установлением определённых закономерностей между превращением теплоты в работу и работы в теплоту. 

2-е начало, дополняя 1-е и рассматривая эти закономерности, утверждает невозможность полного превращения теплоты в работу и устанавливает пределы этого превращения.                                                     Кроме этого 2-е начало вводит очень важное понятие– энтропия, которое является параметром состояния тела.

Существует несколько формулировок 2-го начала:

Больцман «Природа стремится к переходу от менее вероятных состояний к более вероятным». Из всех форм движения наиболее вероятно хаотичное тепловое движение молекул, поэтому разные виды энергии могут самопроизвольно перейти в это движение, но обратный процесс невозможен.

Майер «Любой реальный самопроизвольный процесс необратим»            например переход работы в тепло процесс самопроизвольный и осуществляется полностью. Самопроизвольного перехода тепла в работу не установлено.

3. Планк «Невозможно построить периодически действующую машину, результатами действия которой были бы получение работы и охлаждение источника теплоты. Теплоту невозможно полностью превратить в работу».

4. Оствальд «Невозможно построить вечный двигатель второго рода».

5. Клаузиус «Теплота не может самопроизвольно переходить от холодного тела к нагретому телу».

 

 

1.6.2. Энтропия

 

Несоответствие между превращением теплоты в работу и работы в теплоту приводит к односторонней направленности реальных процессов в природе, что и отражает физический смысл 2-го начала термодинамики. Он заключается  в законе о существовании и возрастании в реальных процессах некой функции. Эту функцию ввёл в 1852 году Клаузиус, назвав её энтропией, которая определяет меру обесценения энергии в тепловых машинах.

Энтропия является функцией состояния газа и представляет собой параметр состояния, так же как давление, удельный объём, температура, внутренняя энергия, энтальпия.

Полная величина энтропии обозначается

                        S[Дж/К]         

Удельное значение энтропии обозначается

                        s[Дж/кгК].

 Изменение энтропии определяется    (6.1).

Второе начало термодинамики можно представить как принцип существования и возрастания энтропии.

 объединённое уравнение 1-го и 2-го начал термодинамики.

Знак   относится к обратимым процессам; знак относится к необратимым процессам.

 Долгое время признаком наличия теплообмена считали изменение температуры, однако это не так, есть процессы, в которых температура не меняется, а теплообмен есть и наоборот. Особенностью энтропии является её обязательное изменение при теплообмене. При подводе тепла она возрастает, при отводе – уменьшается, при отсутствии теплообмена – остаётся постоянной.    

Главная трудность в понимании физического смысла энтропии – она не поддаётся измерению, её можно только вычислить по изменению параметров.