Второй закон термодинамики

Все процессы в природе происходят с сохранением энергии. Об этом говорит Первый Закон термодинамики. При этом энергия может изменять свою форму, и передаваться между телами. Направление передачи энергии устанавливает Второй Закон термодинамики (иногда говорят Второе Начало термодинамики). Кратко рассмотрим его суть.

Направление потоков энергии

Изучая процессы передачи энергии между телами, можно заметить, что энергия всегда передается от тела, обладающего большей энергией, к телу, у которого энергии меньше. Нагретое тело при контакте нагревает холодное, само при этом остывая. В пределах одного тела энергия также распространяется из областей с более высокой температурой в области с более низкой.

Виды теплопередачи

Рис. 1. Виды теплопередачи.

При этом Первый Закон термодинамики вовсе не запрещает и обратные процессы. Холодное тело, температура которого выше абсолютного нуля, обладает некоторой внутренней энергией, а значит, эту энергию можно передать телу с более высокой температурой, нарушения Первого Закона не произойдет.

Однако опыт говорит о том, что таких процессов в Природе не бывает. Следовательно, существует закон, определяющий направление передачи энергии. Этот закон получил название Второго Закона (начала) термодинамики.

Второй Закон термодинамики

Второй Закон термодинамики был сформулирован в работах физика Р.Клаузиуса. Он дал ему следующее определение:

Невозможно перенести тепло от более холодной системы к более горячей без других изменений в обеих системах или окружающих телах.

Замечание «без других изменений» принципиально. Оно говорит о том, что передача тепла от более холодного тела к горячему все же возможна, но при этом необходимо затратить дополнительную энергию.

Второй Закон термодинамики распространяется на любые процессы, в которых изменяется внутренняя энергия тел. Превращение механической энергии в тепло также подчиняется этому закону. Обратный процесс, когда внутренняя энергия тела превратится в механическую, возможен только с затратами дополнительной энергии.

Обратимые и необратимые процессы

Следствием Второго Закона термодинамики является необратимость всех процессов в Природе.

Обратимый процесс – это процесс, который может происходить в прямом и обратном направлении, проходя через одни и те же промежуточные состояния без изменений в окружающих телах. Процесс, который может самопроизвольно протекать только в одном направлении, а для протекания в обратном направлении необходимо внешнее воздействие, называется необратимым.

Поскольку практически во всех процессах в Природе происходит изменение внутренней энергии, все они являются необратимыми. Обратимыми они являются только с некоторой степенью точности. Например, процесс одного колебания маятника можно считать обратимым – прямое и обратное качание груза практически полностью зеркальны.

Необратимые процессы в термодинамике

Рис. 2. Необратимые процессы в термодинамике.

Энтропия системы

Действие Второго Закона термодинамики объясняется его статистическим характером. Теплота тела характеризует среднюю энергию большого числа его молекул. Среди этих молекул могут быть и более энергичные, и менее энергичные.

Но, для того, чтобы одна часть тела стала теплее, а другая холоднее – необходимо чтобы все более энергичные молекулы оказались в одной части, а все менее энергичные – в другой. В связи с огромным числом молекул в веществе, вероятность такого события можно считать нулевой. Любое же направленное движение – это упорядоченное движение всех молекул тела. Без внешнего воздействия вероятность такого упорядоченного движения также нулевая.

Поэтому, хотя отдельные движения молекул могут быть любыми, макроскопическое состояние системы всегда переходит к более вероятному, более хаотичному. Мерой хаоса системы является специальное понятие – энтропия системы $S$.

Мера беспорядка энтропия

Рис. 3. Мера беспорядка энтропия.

Чем выше энтропия системы, тем более беспорядочно движутся ее составляющие. Все процессы в природе текут в сторону увеличения энтропии, поскольку это направление более вероятно.

Таким образом, если тело имеет температуру $T$, и ему передано количество тепла $ΔQ$, то формула второго закона термодинамики будет выражена соотношением:

$$ΔS \geq { ΔQ \over T}$$

Что мы узнали?

Второй Закон термодинамики гласит, что тепло более горячей системы переходит только в сторону более холодной. Это необратимый процесс, который идет всегда в сторону большего хаоса (в сторону увеличения энтропии). Чтобы тепло перешло от более холодной системы к более горячей, необходимо внешнее воздействие.

Тест по теме

  1. Вопрос 1 из 10

    Тепло всегда передается в направлении…

Начать тест(новая вкладка)
Доска почёта
Чтобы попасть сюда - пройдите тест.
    Пока никого нет. Будьте первым!

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.4. Всего получено оценок: 58.

Предметы