Второе начало термодинамики

Первое начало термодинамики (19, 41), т. е. закон сохранения энергии, справедливо при любом процессе обмена энергией. Оно не указывает направление процесса, для него неважно, будет ли тепло передавать­ся от горячего тела к холодному или наоборот, будет ли газ само­произвольно расширяться или сжиматься и т. д..

Однако из рассмотренного выше вытекает, что:

1. Любая система, выведенная из состояния равновесия и предоставленная самой себе, возвращается в равновесное состояние. Таковы, например, необратимые процессы переноса: вещества (диффузия), энергии (теплопроводность), импульса упорядоченного движения (внутреннее трение или вязкость).

2. Механическая работа может быть полностью превращена в теплоту, т. е. энергия упорядоченного движения может полно­стью перейти в энергию неупорядоченного движения. Однако, энергия неупорядоченного движения (теплота) может быть преобразована в энергию упорядоченного движения (работу) лишь частично. Невозможен процесс, един­ственным результатом которого было бы полное превращение теплоты в работу. Т.е., кпд тепловой машины η < 1.

3. Предоставленная самой себе система всегда переходит из менее вероятного в более вероятное состояние. Больцман получил соотношение, связывающее изменение энтропии при необратимых процессах с термодинамическими вероятностями (числом способов реализации того или иного состояния) начального W ₁ и конечного W ₂ состояний: Δ S = k · ℓn (W ₂/ W ₁). Из этого соотношения вытекает, что процессы с уменьшением энтропии не невозможны, а настолько маловероятны, что практически никогда не реализуются.

Используя понятие энтропии, можно сформулировать еще одно равносильное утверждение: «В замкнутой, изолированной системе (системе с постоянной энергией) при любых процессах энтропия не может убывать, т.е. ΔS≥0».

Все эти формулировки эквивалентны. Все они указывают направление процессов в изолированной или что то же самое в предоставленной самой себе си­стеме. Это и есть второе начало термодинамики – важ­нейший закон природы.

Не следует думать, что этот закон вообще запрещает пере­дачу тепла от холодного тела к нагретому. Это возможно, но толь­ко в незамкнутой (открытой) системе. Например, это осуществляется в холодильнике. Можно также уменьшить энт­ропию системы, например поршнем сжать газ и снова собрать его в одной половине сосуда. Можно увеличить порядок в системе (т. е. уменьшить энтропию), но для этого необходимо вмешательство внешних сил.

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ В ВАКУУМЕ