Необоротність теплових процесів. Другий закон термодинаміки. Поняття ентропії


Необоротність теплових процесів

Необоротним називається фізичний процес, який може мимовільно протікати тільки в одному визначеному напрямку.

У зворотному напрямку такі процеси можуть протікати тільки як одна з ланок складнішого процесу.

Необоротними є практично всі процеси, що відбуваються в природі. Це пов’язано з тим, що в будь-якому реальному процесі частина енергії розсіюється за рахунок випромінювання, тертя і т. д. Наприклад, тепло, як відомо, завжди переходить від більш гарячого тіла більш холодному — це найбільш типовий приклад незворотного процесу (хоча зворотний перехід не суперечить закону збереження енергії).

Також кулька яка висить на легкій нитці (маятник) ніколи мимовільно не збільшить амплітуду своїх коливань, навпаки, одного разу наведений в рух за допомогою сторонньої силою, він обов’язково, зрештою, зупиниться в результаті опору повітря і тертя нитки об підвіс. Таким чином, повідомлена маятнику механічна енергія переходить у внутрішню енергію хаотичного руху молекул (повітря, матеріалу підвісу).

Математично незворотність механічних процесів виражається в тому, що рівняння руху макроскопічних тіл змінюється зі зміною знака часу: вони не інваріантні при заміні t на -t. При цьому прискорення і сили, що залежать від відстані, не змінюють свої знаки. Знак при заміні t на -t змінюється у швидкості. Відповідно змінює знак сила, що залежить від швидкості, — сила тертя. Саме тому при вчиненні роботи силами тертя кінетична енергія тіла необоротно переходить у внутрішню.

Другий закон термодинаміки Незворотних процесів

Спрямованість процесів у природі вказує другий закон термодинаміки.

Другий закон термодинаміки

Другий закон термодинаміки — один з основних законів термодинаміки, що встановлює необоротність реальних термодинамічних процесів.

Другий закон термодинаміки було сформульовано як закон природи Н. Л. С. Карно в 1824 р., потім У. Томсон (Кельвін) в 1841 р. і Р. Клаузиусом в 1850 р. Формулювання закону різні, але еквівалентні.

Німецький вчений Р. Клаузіус формулював закон так: неможливо перевести теплоту від більш холодної системи до більш гарячої системи при відсутності інших одночасних змін в обох системах або оточуючих тілах. Це означає, що теплота не може мимоволі переходити від більш холодного тіла до більш гарячого (принцип Клаузіуса).

Згідно формулюванню Томсона процес, при якому робота переходить в тепло без яких-небудь інших змін стану системи, є необоротним, тобто неможливо перетворити в роботу все тепло, взяте від тіла, не роблячи ніяких інших змін стану системи (принцип Томсона).

Поняття ентропії

Вперше це поняття ввів у 1865 р. німецький фізик Рудольф Клаузіус. Ентропією він назвав функцію стану термодинамічної системи, що визначає міру необоротного розсіювання енергії.

Що ж таке ентропія?

Перш ніж відповісти на це питання, познайомимося з поняттям «наведеної теплоти». Будь-який термодинамічний процес, що проходить в системі, складається з деякої кількості переходів системи з одного стану в інший. Приведеною теплотою називають відношення кількості теплоти в ізотермічному процесі до температури, при якій відбувається передача цієї теплоти.

Q’ = Q/T.

Для будь-якого незамкнутого термодинамічного процесу існує така функція системи, зміна якої при переході з одного стану в інший дорівнює сумі приведених теплот. Цю функцію Клаузіус назвав «ентропія» і позначив її буквою S, а відношення загальної кількості теплоти ∆Q до величини абсолютної температури Т назвав зміною ентропії.

зміна ентропії

Звернемо увагу на те, що формула Клаузіуса визначає не саме значення ентропії, а тільки її зміну.

Що ж являє собою «необоротне розсівання енергії» в термодинаміці?

Одне з формулювань другого закону термодинаміки виглядає наступним чином: “Неможливий процес, єдиним результатом якого є перетворення в роботу всієї кількості теплоти, отриманої системою“. Тобто частина теплоти перетворюється в роботу, а якась її частина розсіюється. Цей процес необоротний. Надалі розсіяна енергія вже не може виконувати роботу. Наприклад, в реальному тепловому двигуні до робочого тіла передається не вся теплота. Частина її розсіюється в навколишнє середовище, нагріваючи його.

В ідеальній тепловій машині, що працює за циклом Карно, сума всіх наведених теплот дорівнює нулю. Це твердження справедливо і для будь-якого квазістатичного (оборотного) циклу. І неважливо, з якої кількості переходів з одного стану в інший складається такий процес.

Якщо розбити довільний термодинамічний процес на дільники нескінченно малої величини, то наведена теплота на кожній такій ділянці буде дорівнює δQ/T. Повний диференціал ентропії dS = δQ/T.

Ентропію називають мірою здатності теплоти необоротно розсіюватися. Її зміна показує, яка кількість енергії безладно розсіюється в навколишнє середовище у вигляді теплоти.

У замкнутій ізольованій системі, що не обмінюється теплом з навколишнім середовищем, при оборотних процесах ентропія не змінюється. Це означає, що диференціал dS = 0. У реальних і необоротних процесах передача тепла відбувається від теплого тіла до холодного. У таких процесах ентропія завжди зростає (dS > 0). Отже, вона вказує напрямок протікання термодинамічного процесу.

Формула Клаузіуса, записана у вигляді dS = δQ/T, справедлива лише для квазістатичних процесів. Це ідеалізовані процеси, які є низкою станів рівноваги, наступних безперервно один за одним. Їх ввели в термодинаміку для того, щоб спростити дослідження реальних термодинамічних процесів. Вважається, що в будь-який момент часу квазістатична система знаходиться в стані термодинамічної рівноваги. Такий процес називають також квазірівноважним.

Звичайно, в природі таких процесів не існує. Адже будь-яка зміна в системі порушує її рівноважний стан. В ній починають відбуватися різні перехідні процеси релаксації, що прагнуть повернути систему в стан рівноваги. Але термодинамічні процеси, що протікають досить повільно, цілком можуть розглядатися як квазістатичні.

На практиці існує безліч термодинамічних задач, для вирішення яких потрібно створення складної апаратури, створення тиску у кілька сот тисяч атмосфер, підтримання високої температури протягом тривалого часу. А квазістатичні процеси дозволяють розрахувати ентропію для таких реальних процесів, передбачити, як може проходити той чи інший процес, реалізувати який на практиці дуже складно.