Безкоштовно

Другий закон термодинаміки

views 95

Вступ

Термодинаміка – розділ фізики, що вивчає загальні властивості макроскопічних систем, що знаходяться в стані термодинамічної рівноваги, і процеси переходу між цими станами.
Мікропроцеси, що лежать в основі цих перетворень, не розглядаються термодинамікою (їх вивчає молекулярна і статистична фізика). Такий підхід називається термодинамічним методом (на відміну від статистичного).

Термодинаміка базується на двох засадах – фундаментальних законах, встановлених в результаті узагальнення дослідних даних.

  • першй закон термодинаміки для ізольованої системи є закон збереження і перетворення енергії;
  • другий закон термодинаміки характеризує напрямок процесів обміну енергією, що протікають в природі;
  • третій закон термодинаміки – це принцип недосяжності абсолютного нуля.

Закономірності та співвідношення, одержувані при термодинамічних дослідженнях, широко використовуються, так як термодинаміка спирається на фундаментальні закони, які є узагальненням спостережень над процесами, що протікають в природі незалежно від конкретних властивостей тіл.

Закони термодинаміки застосовуються як в наукових фізичних дослідженнях, так і в прикладних цілях при розробці теплових двигунів і установок, тому їх вивчення є актуальним і важливим для підготовки багатьох фахівців.

Другий закон термодинаміки

Другий закон термодинаміки можна сформулювати як закон зростання ентропії замкнутої системи при незворотних процесах: будь-який необоротний процес в замкнутій системі відбувається так, що ентропія системи при цьому зростає.

Можна дати більш коротке формулювання другого закону термодинаміки: в процесах, що відбуваються в замкнутій системі, ентропії не убуває.

Практично важливо розрізняти випадки незамкненої системи, замкненої системи з оборотним процесом і замкнутої системи з необоротним процесом:

• в незамкнутих системах ентропія може вести себе будь-яким чином (спадати, зростати, залишатися постійною, другий закон термодинаміки не використовується);
• в замкнутій системі ентропія залишається постійною тільки при оборотних процесах (за другим законом термодинаміки);
• в замкнутій системі ентропія при незворотних процесах ентропія тільки зростає (за другим законом термодинаміки).

Конкретний фізичний зміст ентропії в термодинаміці не розглядається, і другий закон термодинаміки був отриманий узагальненням дослідних даних. Але статистичне тлумачення ентропії як функції стану, що описує ступінь невпорядкованості системи, дозволяє пояснити зростання ентропії в замкнутій системі при незворотних процесах: зростання ентропії означає перехід системи з менш ймовірних в більш ймовірні стани.

З точки зору статистичної термодинаміки другий закон термодинаміки можна сформулювати наступним чином: система прагне мимовільно перейти в стан з максимальною термодинамічною ймовірністю [3].

Існують інші формулювання другого закону термодинаміки:

1) за Кельвіном (Томсону): неможливий круговий процес, єдиним результатом якого є перетворення теплоти, отриманої від нагрівача, в еквівалентну їй роботу [2];

2) по Клаузіусу: неможливий круговий процес, єдиним результатом якого є передача теплоти від менш нагрітого тіла до більш нагрітого [2].

3) Неможливий вічний двигун другого роду – машина, яка, будучи пущена в хід, перетворювала б у роботу все тепло, що береться із навколишніх тіл [1].

Ці формулювання еквівалентні. Справді, припустимо, що постулат Клаузіуса невірний, тобто існує процес, єдиним результатом якого була б передача тепла від більш холодного тіла до більш гарячого. Тоді візьмемо два тіла з різною температурою (нагрівач і холодильник) і проведемо кілька циклів теплової машини, забравши тепло Q1 у нагрівача, віддавши Q2 холодильника і зробивши при цьому роботу = A. Після цього скористаємося процесом Клаузіуса і повернемо тепло Q2 від холодильника нагрівача. В результаті виходить, що ми зробили роботу тільки за рахунок відбирання теплоти від нагрівача, тобто постулат Томсона теж невірний. З іншого боку, припустимо, що є невірним постулат Томсона. Тоді можна відняти частину тепла у більш холодного тіла і перетворити в механічну роботу. Цю роботу можна перетворити в тепло, наприклад, за допомогою тертя, нагрівання більш гаряче тіло. Значить, з невірності постулату Кельвіна (Томсона) слід невірність постулату Клаузіуса. Крім того, показано, що якщо в замкнутій системі провести уявний процес, що суперечить другому початку термодінаміки в формулюванні Клаузіуса, то він супроводжується зменшенням ентропії. Це ж доводить еквівалентність формулювання Клаузіуса (а, отже, і Кельвіна) і статистичного формулювання, відповідно до якого ентропія замкнутої системи не може зменшуватися.

В середині XIX ст. виникла проблема так званої теплової смерті Всесвіту. Розглядаючи Всесвіт як замкнуту систему і застосовуючи до неї другий закон термодинаміки, Клаузіус звів його зміст до твердження, що ентропія Всесвіту повинна досягти свого максимуму. Це означає, що з часом всі форми руху повинні перейти в тепловий. Перехід же теплоти від гарячих тіл до холодних призведе до того, що температура всіх тіл у Всесвіті зрівняється, тобто настане повна теплова рівновага і всі процеси у Всесвіті припиняться – настане теплова смерть Всесвіту. Помилковість висновку про теплову смерть полягає в тому, що не можна застосовувати другий закон термодинаміки до незамкнутих систем, наприклад, до такої безмежної системі, що нескінченно розвивається, як Всесвіт [3].

Поява другого закону термодинаміки було закономірно, так як було необхідно дати відповідь на питання, які процеси в природі можливі, а які ні. Перший закон термодинаміки, висловлюючи закон збереження і перетворення енергії, не дозволяє встановити напрямок протікання термодинамічних процесів. Крім того, можна уявити безліч процесів, які суперечать першому закону, в яких енергія зберігається, а на практиці вони не здійснюються (наприклад, вічні двигуни другого роду). Другий закон термодинаміки визначає напрям протікання термодинамічних процесів.

Висновок

Термодинаміка представляє собою одну із самих обширних областей сучасного природознавство – науку про перетворення різних видів енергії одна в іншу. Ця наука розглядає різноманітні явища природи і охоплює велику областіь хімічних, механічних і фізико-хімічних явищ.

Друга засада термодинаміки встановлює умови протікання і напрацювання макроскопічних процесів в системі, що складається з великої кількості частин, що завершують першу засаду термодинаміки.

Термодинаміка – це феноменологічна (описова) теорія макроскопічних тіл. Вона не описується на молекулярній структурі речовин і не викликає термодинамічних процесів на рівні молекул. Зокрема, в ході термодинамічного підходу виникає поняття ентропії нізвідки не виводиться  і сама епітропія ніяк не трактується, а засади термодинаміки, багаторазово підтверджені досвідченими, постулуються і не пояснюються.

Але термодинамічний підхід має велике практичне застосування. Наприклад, хімічна термодинаміка на основі загальнів загальної термодинаміки вивчає хімічні, теплові, фізико-хімічні процеси, рівномірність і вплив на рівновагу зовнішніх умов. Технічна термодинаміка розглядає закономірності взаємного перетворення теплоти в роботу. Вона встановлює взаємозв’язок між тепловими, механічними та хімічними процесами, які перетворюються в теплові та холодильні машини, вивчають процеси, що відбуваються в газах і парах, а також властивості цих систем при різних фізичних умовах.

Важливість законів термодинаміки обумовлена ​​тим, що вони активно застосовуються, дозволяють розробяти теорії теплових двигунів, теплових установок, досліджувати процеси, протікати в них, виявляти їх економічність і т.ін.

Список використаної літератури

1. Детлаф А.А. Курс физики : учеб. пособие / А.А.Детлаф. – 8-е изд., стер. – М. : Академия, 2009. – 719 с.

2. Трофимова Т.И. Курс физики : учеб. пособие / Т.И.Трофимова. – 13- е изд., стер. – М. : Академия, 2007. – 560 с.

3. Савельев И.В. Курс общей физики. : учеб. пос.: В 3 т. / И.В.Савельев.-5-е изд., стер. – СПб.: Лань.- Т 1 : Механика. Молекулярная физика. – 2006. – 432 с.

Написати коментар:

Ваша пошт@ не публікуватиметься. Обов’язкові поля позначені *