Второй закон термодинамики

Сущность второго закона термодинамики. Равновесные и неравновесные состояния, обратимые и необратимые процессы.

Второй закон термодинамики устанавливает существование у всякой равновесной термодинамической системы однозначной функции состояния — энтропии S.

Понятие энтропии вводится в феноменологической термодинамике с помощью выражения dS=, в соответствии с которым при подводе к ТС порции теплоты энтропия системы возрастает. Температура Т в этом выражении есть температура на границе ТС в точке, где подводится порция теплоты. С помощью этой специальной функции состояния можно математически описать 2-ой закон термодинамики.

ТС находится в состоянии равновесия, если после ее изоляции от окружающей среды в ней не наблюдается никаких изменений, и в неравновесном состоянии, если после ее изоляции в ней обнаруживаются какие-либо изменения. Эти изменения в изолированной системе протекают самопроизвольно, и со временем система приходит в равновесное состояние. Процесс является неравновесным, если при его совершении ТС хотя бы в одной точке процесса находится в неравновесном состоянии. Неравновесные состояния ТС могут быть связаны либо с локальной неравновесностью в точке, либо с объемной неравновесностью из-за различия температур, давлений и других параметров в различных элементах объема ТС. При объемной неравновесности ТС для проведения термодинамических расчетов объем ТС можно разбить на малые объемы, в пределах которых перепады параметров (р, Т и др.) малы и состояния в пределах каждого из объемов можно считать локально равновесным.

Энтропия изолированной ТС не изменяется только при равновесных процессах в ней и всегда возрастает при неравновесных процессах. Таким образом, 2-ой закон термодинамики — закон об энтропии и состоит из принципа существования энтропии и принципа возрастания энтропии.

Все равновесные процессы — обратимые, а неравновесные — необратимые процессы. Процесс называется необратимым, если суммарный запас энергии направленного, упорядоченного движения частиц ТС (работы) уменьшается, и обратимым, если этот запас энергии сохраняется. В необратимых процессах происходит диссипация (рассеяние) энергии упорядоченного движения материи в энергию теплового, неупорядоченного движения, которую нельзя превратить ни в какой другой вид энергии в обратном направлении. Обратимый (равновесный) процесс возможен только при бесконечно малых перепадах параметров на границе ТС и окружающей среды в любой момент процесса.

Второй закон термодинамики является обобщением опытных данных, указывает на особый характер протекания тепловых процессов и устанавливает пределы возможных превращений теплоты в работу. Этот закон позволяет определить направление и условия протекания любого термодинамического процесса. Дело в том, что тепловые процессы, удовлетворяющие первому закону термодинамики, подразделяются на самопроизвольные, протекающие без внешнего воздействия в данных условиях и на процессы, которые не могут происходить в данных условиях без внешнего воздействия.

В изолированной ТС самопроизвольные процессы протекают в направлении достижения равновесия системы. При этом работа преобразуется в теплоту (), а теплота переходит лишь от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. Процессы с превращением теплоты в работу () в изолированной системе самопроизвольно идти не могут. Открытие 2-го закона термодинамики было связано с анализом работы тепловых машин (Сади Карно).

Для осуществления процессов с превращением теплоты в работу надо создать из двух тел с различной температурой (Т1>Т2) неравновесную ТС, обладающую запасом энергии направленного упорядоченного движения частиц, а также осуществить с помощью термодинамического рабочего тела (ТРТ) обратимый цикл и передать результирующую работу цикла lц третьему телу — аккумулятору работы. При этом всю подведенную теплоту q1 нельзя превратить в работу lц. Часть теплоты необходимо отвести в холодильник .

Схему превращения теплоты в работу можно представить в виде :

Неравноценность превращений работы в теплоту и теплоты в работу объясняется тем, что энергию направленного движения частиц (работу) можно превратить в тепловую энергию неупорядоченного, хаотического движения частиц, а обратный процесс возможен только при наличии соответствующей компенсации.

Наиболее краткой формулировкой 2-го закона термодинамики является формулировка Томсона-Кельвина: «Теплота, содержащаяся в окружающей среде, не может быть превращена в работу теплового двигателя, если температура всех окружающих тел будет одинаковой, т. е. вечный двигатель II рода неосуществим». Вечный двигатель II рода — это двигатель, который производил бы механическую работу исключительно за счет теплоты окружающей среды с одинаковой температурой во всех ее точках.