Теплоемкость, энтальпия и энтропия. Второй закон термодинамики

Теплоемкость и ее виды. Удельной теплоемкостью с называют коли­чество теплоты q, которое требуется для изменения температуры еди­ницы количества вещества на 1 градус.

В зависимости от способа измерения единицы количества веще­ства, характера термодинамического процесса и величины интервала температур различают несколько видов теплоемкостей.

Теплоемкость зависит от характера процесса и свойств газа. В зависимости от способа подвода теплоты различают теплоемкость при постоянном давлении (изобарную) с_р и теплоемкость при постоян­ном объеме (изохорную) c_v.

Энтальпия. В ряде случаев целесообразно объединение параме­тров u (внутренняя энергия идеального газа) и pv в общий калорический параметр, называемый энтальпией, Дж/кг:

i = u + pv.

Энтальпия – термодинамическая функция, имеющая смысл пол­ной (внутренней и внешней) энергии системы. Она складывается из внутренней энергии и и упругостной энергии pv, обусловленной наличием внешнего давления окружающей среды ру т. е. pv – работа, которую надо затратить, чтобы ввести рабочее тело объемом v в среду, имеющую давление р.

Энтальпия измеряется в тех же единицах, что и теплота, работа и внутренняя энергия, т. е. в Дж/кг.

Второй закон термодинамики. Второй закон термодинамики, как и первый, является опытным законом, основывающимся на мно­говековых наблюдениях ученых. Однако установлен он был только в середине XIX в.

Наблюдения за явлениями природы показывают, что:

а) возникновение и развитие самопроизвольно протекающих в ней естественных процессов, работа которых может быть использована для нужд человека, возможно лишь при отсутствии равновесия между участвующей в процессе термодинамической системой и окружающей средой;

б) процессы эти всегда характеризуются односторонним протека­нием от более высокого потенциала к более низкому (от более высо­кой температуры к более низкой или от более высокого давления к бо­лее низкому);

в) при протекании указанных выше процессов термодинамическая система стремится к тому, чтобы прийти в равновесие с окружающей средой, характеризуемое равенством давления и температуры системы и окружающей среды.

Из наблюдений за явлениями природы следует также, что для того чтобы заставить процесс протекать в направлении, обратном направ­лению протекания самопроизвольного процесса, необходимо затра­тить заимствуемую из внешней среды энергию.

Второй закон термодинамики представляет собой обобщение из­ложенных выше положений и заключается в следующем:

 самопроизвольное протекание естественных процессов возникает и развивается при отсутствии равновесия между участвующей в процессе термодинамической системой и окружающей средой;

 самопроизвольно происходящие в природе естественные процессы, работа которых может быть использована человеком, всегда про­текают лишь в одном направлении – от более высокого потенциа­ла к 6олее низкому;

 ход самопроизвольно протекающих процессов происходит в направ­лении, приводящем к установлению равновесия термодинамической системы с окружающей средой, и по достижении этого равновесия процессы прекращаются;

 процесс может протекать в направлении, обратном самопроиз­вольному процессу,  если энергия для этого заимствуется из внешней среды.

Формулировку второго закона термодинамики надо понимать так, что, для того чтобы работала периодически действующая машина, необ­ходимо, чтобы были минимум два источника теплоты различной темпера­туры; при этом в работу может быть превращена лишь часть теплоты, забираемой из высокотемпературного источника, в то время как другая ее часть должна быть передана низкотемпературному источнику.

Физический смысл энтропии. Энтропию нельзя измерить, ее смысл затруднительно продемонстрировать с помощью наглядных пособий, но можно понять по следующим интерпретациям.

 Энтропия – мера ценности теплоты: ее работоспособности и технологической эффективности.

 Энтропия – мера потери работы вследствие необратимости ре­альных процессов. Чем больше необратим процесс в изолированной системе, тем больше возрастает энтропия s₂ > и тем большая доля энергии не превращается в работу, рассеивается в окружающую среду.

  Энтропия – мера беспорядка. Следовательно, возрастание беспорядка означает возрастание эн­тропии, рассеивание энергии. При подводе теплоты увеличивается хао­тичность теплового движения частиц и энтропия возрастает. Наоборот, охлаждение системы при постоянном объеме есть извлечение из нее теплоты, а следовательно, и упорядоченность системы при этом повы­шается, а энтропия уменьшается. Такая закономерность позволяет пред­положить, что при нуле абсолютной температуры тепловое движение полностью прекратится и в системе установится максимальный порядок, т. е. неупорядоченность и энтропия станут равными нулю. Это предпо­ложение, неподдающееся опытной проверке, ибо абсолютный нуль тем­пературы недостижим, носит название третьего закона термодинамики.