Второе начало термодинамики (называется также вторым законом) устанавливает существование энтропии в формате функции состояния термодинамической системы и вводит при этом понятие абсолютной термотемпературы.
Задачи второго начала термодинамики
Второе начало, таким образом, представляет закон об энтропии, а также ее главных свойствах. Энтропия в изолированной системе или сохраняет свою неизменность или растет. Максимум достигается, когда устанавливается термодинамическое равновесие.
Разные формулировки второго начала термодинамики, встречающиеся в разных научных источниках, представляют частные следствия закона возрастания энтропии. Второй закон термодинамики способствует построению рациональной температурной шкалы, не зависимой от случайности в выборе термометрического свойства и его способа измерения.
В совокупности первое и второе начала представляют основу феноменологической термодинамики, которая может рассматриваться в качестве развитой системы следствий этих двух начал. Второе начало позволяет:
- выделить фактически возможные процессы, не противоречащие законам термодинамики;
- определить направление протекания самопроизвольных процессов;
- найти предельное (наименьшее или самое большое) значение энергии, которое можно использовать в термодинамическом процессе (с учетом ограничений, накладываемых термодинамическими законами);
- сформулировать критерии равновесия в термосистемах.
Открытие и становление второго начала термодинамики
Возникновение второго начала термодинамики произошло в формате рабочей теории тепловых двигателей. Эта теория определила условия, согласно которым, превращение тепла в работу достигнет максимального эффекта.
Впервые теоретические исследования работы тепловых двигателей провел французский инженер С. Карно. Они показали, что малая величина этого эффекта (КПД) может быть обусловлена не техническим несовершенством теплового двигателя, а свойством теплоты как способа энергопередачи, накладывающей определенные ограничения на его величину.
Карно пришел к выводу о независимости КПД тепловых машин от природы рабочего тела и термодинамического цикла. Согласно теореме Карно, КПД тепловых машин может определяться в зависимости от температур таких внешних источников, как холодильник и нагреватель.
Работа Карно написана до того, как был открыт принцип эквивалентности теплоты и работы и был признан закон сохранения энергии. Свои выводы ученый основывал на двух противоречащих друг другу основаниях: теплородной теории и гидравлической аналогии. Позднее Р. Клаузиус и В. Томсон согласовали теорему Карно с законом сохранения энергии, заложив в основу того, что сейчас составляет второе начало классической (равновесной) термодинамики.
Второе начало термодинамики (как и первое) является обобщением общечеловеческого опыта. Опыт показывает неравноценность работы и теплоты, представляющими по определению определенные формы передачи энергии.
Если работа непосредственно может переходить в теплоту (например, при трении) и при этом будет изменяться состояние одного тела, то количество теплоты подобным свойством не обладает. Подвод тепла провоцирует только увеличение внутренней энергии системы (повышение ее параметров: давление, объем, температура).
Термодинамическая работа, которая произведена, благодаря переданному количеству теплоты может быть получена только путем изменения вышеуказанных параметров (например, работа расширения рабочих тел).
При этом, помимо охлаждения самого источника тепла, при незамкнутом процессе начинает изменяться термодинамическое состояние одного (рабочего) тела, а при замкнутом процессе - нескольких тел, которым это тело должно передавать часть полученного тепла.
Получателем теплоты в тепловом двигателе выступает холодильник. Компенсация представляет процесс отдачи другим телам части тепла. Согласно опытам, становится невозможным превращение теплоты в работу без компенсации.
В качестве примера можно рассмотреть работу в тепловых двигателях, которая производится посредством расширения рабочего тела. Чтобы работа машины стала непрерывной, рабочее тело требуется вернуть в исходное состояние. С этой целью его потребуется сжать, затратив при этом работу.
Если сжатие произведем при такой же температуре, что и расширение, будет затрачена вся работа, а эффективность двигателя будет нулевой. Чтобы работа сжатия оказалась меньше, чем работа расширения, требуется производить сжатие при температуре, более низкой.
С целью понижения температуры рабочего тела, часть теплоты нужно передать третьему телу – холодильнику. КПД теплового двигателя (по определению) характеризуется отношением количества теплоты, превращенной за один цикл в положительную работу, ко всему количеству теплоты, подведенному к рабочему телу. Это выражает формула:
Рисунок 1. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Энтропия и ее статистический смысл
Среди величин, которые могут определять состояние термодинамической системы, энтропии отводится особая роль. Так, она отличается своей абстрактностью, ее физический смысл не вытекает непосредственно из математического выражения и не поддается при этом обычному интуитивному восприятию.
По этой причине неоднократно предпринимались попытки прояснить смысл энтропии. Одна из попыток заключалась в поиске аналогий энтропии с понятиями, более доступными для восприятия.
Если элементарная работа, например, представляет произведение силы и перемещения, то ее аналогом послужит количество теплоты. При этом аналог силы представляет собой абсолютную температуру, а перемещения – энтропию.
Аналогии такого рода носят исключительно искусственный характер, поэтому для интерпретации энтропии польза от них сомнительная. Также несостоятельной стала попытка ученых провести аналогию энтропии с теплоемкостью. Если сравнить выражение для удельной энтропии тела:
Рисунок 2. Формула удельной энтропии тела . Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
с выражением удельной теплоемкости:
Рисунок 3. Формула удельной теплоемкости. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Аналог этих выражений состоит в задействовании одинаковых величин и в равной размерности теплоемкости и энтропии.
В рамках статистической физики энтропия термодинамической системы рассматривается в виде функции вероятности ее состояния («принцип Больцмана»):
Рисунок 4. Принцип Больцмана. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
