Что такое закон возрастания энтропии

Что такое закон возрастания энтропии

Если замкнутая система не находится в состоянии статистического равновесия, то с течением времени ее макроскопическое состояние будет изменяться, пока система в конце концов не придет в состояние полного равновесия. Характеризуя каждое макроскопическое состояние системы распределением энергии между различными подсистемами, мы можем сказать, что ряд последовательно проходимых системой состояний соответствует все более вероятному распределению энергии.

Это возрастание вероятности, вообще говоря, чрезвычайно велико в силу выясненного в предыдущем параграфе экспоненциального ее характера. Именно, мы видели, что вероятность определяется выражением , в экспоненте которого стоит аддитивная величина — энтропия системы. Мы можем поэтому сказать, что процессы, протекающие в неравновесной замкнутой системе, идут таким образом, что система непрерывно переходит из состояний с меньшей в состояния с большей энтропией, пока, наконец, энтропия не достигнет наибольшего возможного значения, соответствующего полному статистическому равновесию.

Таким образом, если замкнутая система в некоторый момент времени находится в неравновесном макроскопическом состоянии, то наиболее вероятным следствием в последующие моменты времени будет монотонное возрастание энтропии системы. Это так называемый закон возрастания энтропии или второй закон термодинамики. Он был открыт Клаузиусом (R. Clausius, 1865), а его статистическое обоснование было дано Больцманом (L. Boltzmann, 1870-е годы).

Говоря о «наиболее вероятном» следствии, надо иметь в виду, что в действительности вероятность перехода в состояния с большей энтропией настолько подавляюще велика по сравнению с вероятностью сколько-нибудь заметного ее уменьшения, что последнее вообще фактически никогда не может наблюдаться в природе. Отвлекаясь от уменьшений энтропии, связанных с совершенно ничтожными флуктуациями, мы можем поэтому сформулировать закон возрастания энтропии следующим образом: если в некоторый момент времени энтропия замкнутой системы отлична от максимальной, то в последующие моменты энтропия не убывает — увеличивается или в предельном случае остается постоянной.

В том, что изложенные простые формулировки соответствуют реальной действительности, — нет никакого сомнения; они подтверждаются всеми нашими ежедневными наблюдениями. Однако при более внимательном рассмотрении вопроса о физической природе и происхождении этих закономерностей обнаруживаются существенные затруднения, в известной мере до настоящего времени еще не преодоленные.

Прежде всего, если мы попытаемся применить статистику к миру как целому, рассматриваемому как единая замкнутая система, то мы сразу же столкнемся с разительным противоречием между теорией и опытом. Согласно результатам статистики вселенная должна была бы находиться в состоянии полного статистического равновесия. Точнее, должна была бы находиться в равновесии любая сколь угодно большая, но конечная ее область, время релаксации которой во всяком случае конечно.

Между тем ежедневный опыт убеждает нас в том, что свойства природы не имеют ничего общего со свойствами равновесной системы, а астрономические данные показывают, что то же самое относится и ко всей доступной нашему наблюдению колоссальной области Вселенной.

Выход из создающегося таким образом противоречия следует искать в общей теории относительности. Дело в том, что при рассмотрении большинства областей вселенной важную роль начинают играть существующие в них гравитационные поля. Как известно, последние представляют собой не что иное, как изменение пространственно-временной метрики. При изучении статистических свойств тел метрические свойства пространства времени можно в известном смысле рассматривать как «внешние условия», в которых эти тела находятся. Но утверждение о том, что замкнутая система должна в течение достаточно длительного времени перейти в состояние равновесия, разумеется, относится лишь к системе, находящейся в стационарных внешних условиях. Между тем общее космологическое расширение вселенной означает, что ее метрика существенно зависит от времени, так что «внешние условия» отнюдь не являются в данном случае стационарными. При этом существенно, что гравитационное поле не может быть само включено в состав замкнутой системы ввиду того, что при этом обратились бы в тождество законы сохранения, являющиеся, как мы видели, основой статистики. Благодаря этому в общей теории относительности мир как целое должен рассматриваться не как замкнутая система, а как система, находящаяся в переменном гравитационном поле; в связи с этим применение закона возрастания энтропии не приводит к выводу о необходимости статистического равновесия.

Таким образом, в изложенной части вопроса о мире как целом ясны физические корни кажущихся противоречий. Существуют, однако, еще и другие трудности в понимании физической природы закона возрастания энтропии.

Как известно, классическая механика сама по себе полностью симметрична по отношению к обоим направлениям времени. Уравнения механики остаются неизменными при замене времени t на —t, поэтому, если эти уравнения допускают какое-либо движение, то они же допускают и прямо противоположное, при котором механическая система проходит через те же самые конфигурации в обратном порядке. Естественно, что такая симметрия должна сохраниться и в основанной на классической механике статистике. Поэтому, если возможен какой-либо процесс, сопровождающийся возрастанием энтропии замкнутой макроскопической системы, то должен быть возможен и обратный процесс, при котором энтропия системы убывает. Приведенная выше формулировка закона возрастания энтропии сама по себе еще не противоречит этой симметрии, так как в ней идет речь лишь о наиболее вероятном следствии макроскопически описанного состояния.

Другими словами, если дано некоторое неравновесное макроскопическое состояние, то закон возрастания энтропии утверждает лишь, что из всех микроскопических состояний, удовлетворяющих данному макроскопическому описанию, подавляющее большинство приведет в следующие моменты времени к возрастанию энтропии.

Противоречие возникает, однако, если обратить внимание на другую сторону этого вопроса. Формулируя закон возрастания энтропии, мы говорили о наиболее вероятном следствии заданного в некоторый момент времени макроскопического состояния. Но это состояние само должно было возникнуть из каких-то других состояний в результате происходящих в природе процессов. Симметрия по отношению к обоим направлениям времени означает, что во всяком произвольно выбранном в некоторый момент времени макроскопическом состоянии замкнутой системы можно утверждать не только, что подавляюще вероятным его следствием при будет увеличение энтропии, но и что подавляюще вероятно, что оно само возникло из состояний с большей энтропией; другими словами, подавляюще вероятно должно быть наличие минимума у энтропии как функции времени в момент в который макроскопическое состояние выбирается нами произвольно.

Но такое утверждение, разумеется, ни в какой степени не эквивалентно закону возрастания энтропии, согласно которому во всех реально осуществляющихся в природе замкнутых системах энтропия никогда не убывает (отвлекаясь от совершенно ничтожных флуктуаций). Между тем именно эта общая формулировка закона возрастания энтропии полностью подтверждается всеми происходящими в природе явлениями. Подчеркнем, что она отнюдь не эквивалентна формулировке, данной в начале этого параграфа, как это могло бы показаться. Для того чтобы получить одну формулировку из другой, нужно было бы ввести понятие о наблюдателе, искусственно «изготовившем» в некоторый момент времени замкнутую систему, так, чтобы вопрос о ее предыдущем поведении вообще отпадал; такое связывание физических законов со свойствами наблюдателя, разумеется, совершенно недопустимо.

Вряд ли сформулированный таким образом закон возрастания энтропии вообще мог бы быть выведен на основе классической механики. К тому же, ввиду инвариантности уравнений классической механики по отношению к изменению знака времени, речь могла бы идти лишь о выводе монотонного изменения энтропии. Для того чтобы получить закон ее монотонного возрастания, мы должны были бы определить направление времени как то, в котором происходит возрастание энтропии. При этом возникла бы еще проблема доказательства тождественности такого термодинамического определения с квантовомеханическим <см. ниже).

В квантовой механике положение существенно меняется. Как известно, основное уравнение квантовой механики — уравнение Шредингера само по себе симметрично по отношению к изменению знака времени (при условии одновременной замены, волновой функции на . Это значит, что если в некоторый момент времени волновая функция задана, ), и, согласно уравнению Шредингера, в другой момент времени она должна стать равной то переход от к обратим; другими словами, если в начальный момент было бы , то в момент будет . Несмотря, однако, на эту симметрию, квантовая механика в действительности существенным образом содержит неэквивалентность обоих направлений времени. Эта неэквивалентность проявляется в связи с основным для квантовой механики процессом взаимодействия квантовомеханического объекта с системой, подчиняющейся с достаточной степенью точности классической механике. Именно, если с данным квантовым объектом последовательно происходят два процесса взаимодействия (назовем их А и В), то утверждение, что вероятность того или иного результата процесса В определяется результатом процесса А, может быть справедливо лишь в том случае, если процесс А имел место раньше процесса В (см. также III, § 7),

Таким образом, в квантовой механике имеется физическая неэквивалентность обоих направлений времени, и в принципе закон возрастания энтропии мог бы быть ее макроскопическим выражением. В таком случае должно было бы существовать содержащее квантовую постоянную h неравенство, обеспечивающее справедливость этого закона и выполняющееся в реальном мире. Однако до настоящего времени никому не удалось сколько-нибудь убедительным образом проследить такую связь и показать, что она действительно имеет место.

Вопрос о физических основаниях закона монотонного возрастания энтропии остается, таким образом, открытым. Не имеет ли его происхождение космологической природы и не связано ли оно с общей проблемой начальных условий в космологии?

Играет ли, и какую роль, в этом вопросе нарушение временной симметрии в некоторых процессах слабых взаимодействий между элементарными частицами? Возможно, что на подобные вопросы будут получены ответы лишь в процессе дальнейшего синтеза физических теорий.

Резюмируя, еще раз повторим общую формулировку закона возрастания энтропии: во всех осуществляющихся в природе замкнутых системах энтропия никогда не убывает она увеличивается или, в предельном случае, остается постоянной. Соответственно этим двум возможностям все происходящие с макроскопическими телами процессы принято делить на необратимые и обратимые. Под первыми подразумеваются процессы, сопровождающиеся возрастанием энтропии всей замкнутой системы; процессы, которые бы являлись их повторениями в обратном порядке, не могут происходить, так как при этом энтропия должна была бы уменьшиться. Обратимыми же называются процессы, при которых энтропия замкнутой системы остается постоянной и которые, следовательно, могут происходить и в обратном направлении. Строго обратимый процесс представляет собой, разумеется, идеальный предельный случай; реально происходящие в природе процессы могут быть обратимыми лишь с большей или меньшей степенью точности.

scask.ru

Что такое закон возрастания энтропии

В дальнейшем будут рассмотрены и другие необратимые процессы: дросселирования, смешения и т.д., которые могут протекать в изолированной системе. Все эти процессы сопровождаются возрастанием энтропии системы.

Проведенный анализ приводит к выводу, что для изолированной системы энтропия или остается постоянной или возрастает:

При этом если в системе происходят обратимые процессы ΔSС=0, если необратимые — ΔSС>0. Этот вывод является одной из формулировок второго закона термодинамики: энтропия замкнутой изолированной системы не может уменьшаться.

Поскольку все реальные процессы необратимы, то в случае их прохождения в изолированной системе ее энтропия всегда будет увеличиваться.

Принцип возрастания энтропии имеет большое практическое значение:

1. Он указывает на направление протекания процессов. Самопроизвольные процессы, приводящие систему к равновесному состоянию, идут в направлении возрастания энтропии системы. Следовательно, если система находится в неравновесном состоянии, то ее энтропия возрастает ΔSС >0.

2. Дает возможность судить о глубине самопроизвольных процессов. Такие процессы идут до достижения максимума энтропии системы SС=SСМАХ. Следовательно, если система находится в равновесном состоянии, то ее энтропия не изменяется ΔSС=0.

3. Увеличение энтропии системы может служить мерой необратимости протекающих в ней процессов, т.е. второй закон термодинамики дает не только качественную, но и количественную оценку процессов.

Третье значение принципа возрастания энтропии системы более полно будет раскрыто в следующей главе.

ispu.ru

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Закон — возрастание — энтропия

Закон возрастания энтропии в изолированной системе играет чрезвычайно важную роль. Можно сказать, что в известном смысле он физически содержательнее, чем закон сохранения энергии. В самом деле, закон сохранения энергии для изолированной системы утверждает, что переход из состояния / в состояние / / возможен лишь при условии, что U L. [1]

Закон возрастания энтропии , понимаемый как универсальный принцип, несовместим с незыблемым законом превращения и сохранения энергии, противоречит ему, так, как, не требуя количественного изменения энергии, он утверждает качественное выражение энергии, потерю энергией основного свойства — способности к непрерывным превращениям. [2]

Закон возрастания энтропии может быть применим наряду с законом превращения и сохранения энергии, если он понимается как принцип, безусловно ограниченный на современном этапе пределами земного опыта. [3]

Закон возрастания энтропии при необратимых процессах также часто называют вторым началом термодинамики. [4]

Закон возрастания энтропии может существовать рядом с законом сохранения энергии только при том условии, если он понимается как принцип, пусть весьма широкий, но безусловно ограниченный. [5]

Закон возрастания энтропии должен пониматься как частная закономерность, справедливая при определенных физических условиях. С философской точки зрения II закон термодинамики не может считаться решением вопроса о законах развития мира. [6]

Закон возрастания энтропии при необратимых процессах также часто называют вторым началом термодинамики. [7]

Закон возрастания энтропии в изолированной системе играет чрезвычайно важную роль. Можно сказать, что в известном смысле он физически содержательнее, чем закон сохранения энергии. В самом деле, закон сохранения энергии для изолированной системы утверждает, что переход из состояния / в состояние / / возможен лишь при условии, что U L. [8]

Если закон возрастания энтропии принять как абсолютный, выполняющийся при любом неравновесном макроскопическом процессе в замкнутой системе, очевидной является невозможность совмещения этого закона с обратимостью механических процессов на молекулярном уровне. [9]

Доказательство закона возрастания энтропии с помощью кинетического уравнения было дано Больцманом и явилось первым микроскопическим обоснованием этого закона. [10]

Согласно закону возрастания энтропии при реальных термодинамических процессах энтропия замкнутой системы возрастает. Закон возрастания энтропии определяет течение энергетических превращений: все они в замкнутых системах происходят в одном направлении. Достижение термодинамической системой состояния с максимальной энтропией соответствует достижению состояния теплового равновесия. Это означает, что в системе, предоставленной самой себе, рано или поздно происходит выравнивание температур и тепловая энергия как бы деградирует в качественном отношении. Она теряет способность превращаться в другие формы энергии. [11]

Полученный нами закон возрастания энтропии при необратимых процессах — одна из важнейших особенностей величины энтропии. Он тем более важен, что, как уже указывалось, понятие об обратимом процессе является идеализацией. Ведь при обратимом процессе система на любой его стадии должна находиться в состоянии термодинамического равновесия. Для установления равновесия требуется время, и поэтому процесс, чтобы быть вполне обратимым, должен протекать бесконечно медленно, что, конечно, никогда не бывает. [12]

Итак, закон возрастания энтропии в изолированных системах, в которых совершается процесс, является законом частным, ограниченным. [13]

Полученный нами закон возрастания энтропии при необратимых процессах — одна из важнейших особенностей величины энтропии. Он тем более важен, что, как уже указывалось, понятие об обратимом процессе является идеализацией. Ведь при обратимом процессе система на любой его стадии должна находиться в состоянии термодинамического равновесия. Для установления равновесия требуется время, и поэтому процесс, чтобы быть вполне обратимым, должен протекать бесконечно медленно, что, конечно, никогда не бывает. [14]

Чтобы получить закон возрастания энтропии , сделаем второе основное предположение, которое состоит в том, что равновесное состояние системы является ее наиболее вероятным состоянием. Согласно этому предположению, мы можем заменить средние значения физических величин для системы, находящейся в состоянии равновесия, их значениями в наиболее вероятном состоянии системы. Это предположение, по-видимому, достаточно хорошо удовлетворяется для всех встречающихся на практике физических задач. В тех случаях, когда можно непосредственно вычислить средние значения, они совпадают с наиболее вероятными значениями. [15]

www.ngpedia.ru

Закон возрастания энтропии.

1) Энтропия и ее термодинамический смысл:

Энтропия – это такая функция состояния системы, бесконечно малое изменение которой в обратимом процессе равно отношению бесконечно малого количества теплоты, введенного в этом процессе, к температуре, при которой оно вводилось.

В конечном обратимом процессе изменения энтропии может быть подсчитано по формуле:

где интеграл берется от начального состояния 1 системы до конечного состояния 2.

В любом обратимом процессе изменения энтропии равно 0

(1)

В термодинамике доказывается, что S системы совершающей необратимой цикл возрастает ΔS> 0 (2)

Выражения (1) и (2) относятся только к замкнутым системам, если же система обменивается теплотой с внешней средой, то её S может вести себя любым образом.

Соотношения (1) и(2) можно представить в виде неравенства Клаузиуса

т.е. энтропия замкнутой системы может либо возрастать (в случае необратимых процессов) либо оставаться постоянной (в случае обратимых процессов).

Если система совершает равновесный переход из состояния 1 в состояния 2, то изменения энтропии

где dU и δA записывается для конкретного процесса. По этой формуле ΔS определяется с точностью до аддитивной постоянной. Физический смысл имеет не сама энтропия, а разность энтропий. Найдем изменение энтропии в процессах идеального газа.

т.е. изменения энтропии S ΔS1→2 идеального газа при переходе его из состояния 1 в состояния 2 не зависит от вида процесса.

Т.к. для адиабатического процесса δQ= 0, то ΔS = 0 =>S = const, то есть адиабатический обратимый процесс протекает при постоянной энтропии. Поэтому его называют изоэнтропийным.

При изотермическом процессе (T = const; T1 = T2: )

При изохорном процессе (V = const; V1 =V2; )

Энтропия обладает свойством аддитивности: энтропия системы равна сумме энтропий тел входящих в систему. S = S 1 + S 2 + S 3 + . Качественным отличием теплового движения молекул от других форм движения является его хаотичность, беспорядочность. Поэтому для характеристики теплового движения необходимо ввести количественную меру степени молекулярного беспорядка. Если рассмотреть какое-либо данное макроскопическое состояния тела с определенными средними значениями параметров, то оно есть нечто иное, как непрерывная смена близких микросостояний, отличающихся друг от друга распределением молекул в разных частях объема и распределяемой энергией между молекулами. Число этих непрерывно сменяющих друг друга микросостояний характеризует степень беспорядочности макроскопического состояния всей системы, w называется термодинамической вероятностью данного микросостояния. Термодинамическая вероятность w состояния системы — это число способов, которыми может быть реализовано данное состояния макроскопической системы, или число микросостояний, осуществляющих данное микросостоян (w ≥ 1, а математическая вероятность ≤ 1).

За меру неожиданности события условились принимать логарифм его вероятности, взятый со знаком минус: неожиданн состояния равна = —

Согласно Больцману, энтропия S системы и термодинамическая вероятность связаны между собой следующим образом:

S=

где — постоянная Больцмана ( ). Таким образом, энтропия определяется логарифмом числа состояния, с помощью которых может быть реализовано данное микросостояние. Энтропия может рассматриваться как мера вероятности состояния т/д системы. Формула Больцмана позволяет дать энтропии следующее статистическое толкования. Энтропия является мерой неупорядоченности системы. В самом деле, чем больше число микросостояний реализующих данное микросостояние, тем больше энтропия. В состоянии равновесия системы — наиболее вероятного состояния системы – число микросостояний максимально, при этом максимальна и энтропия.

Т.к. реальные процессы необратимы, то можно утверждать, что все процессы в замкнутой сис-ме ведут к увеличению ее энтропии — принцип возрастания энтропии. При статистич толковании энтропии это означает, что процессы в замкнутой системе идут в направлении увеличения числа микросос, иными словами, от менее вероятных состояний к более вероятным, до тех пор, пока вероятность состояния не станет максим.

Закон возрас энтропии и составляет основ содержа второго начала термодинамики, которое в наиболее общем виде формулируется так:

В замкнутой системе все необрат процессы протекают в направлении возраст энтропии; в частном случае, когда процессы, протекающие в замкнутой системе, обратимы, энтропия системы остается постоянной.

Более кратко второе начало термодинамики может быть сформулировано следующим образом:

В замкнутой системе энтропия никогда не убывает, она либо возрастает, либо остается неизменной, т. е. в замкнутой системе всегда

Где знак равенства относиться к обратимым процессам, а знак неравенства ― к необратимым

Термич и калорическое урав состояния. Связь этих уравнений.

Дата добавления: 2014-12-30 ; просмотров: 12 ; Нарушение авторских прав

www.lektsii.com

Что такое закон возрастания энтропии

В § 4 была указана математическая формулировка первого закона термодинамикив виде соотношений (1. 13) и (1.14):

Эквивалентным и более удобным выражением этого закона является утверждение:

внутренняя энергия термодинамической системы есть однозначная функция ее состояния.

В каждом определенном состоянии термодинамическая система имеет одно определенное значение внутренней энергии. Поэтому если система, имея начальное значение энергии совершает круговой процесс и в точности возвращается в исходное состояние, то сумма элементарных изменений энергии положительных на одних участках и отрицательных на других участках будет для всего кругового процесса равна нулю. Это утверждение символически записывается в виде

В конце § 7 ч. II было приведено соотношение (1.29), которое также соблюдается в круговых процессах; перепишем его в виде

Разбивая круговой процесс на бесконечно малые участки, можем записать это соотношение в более точном виде:

Напомним, что в формулах (1.32) и (1.33) элементарные количества теплоты положительны, если они поступают в систему извне, и отрицательны, если отнимаются от нее. Первоначально соотношение (1.33) было получено для некоторых (сравнительно несложных) круговых процессов, совершаемых простыми термодинамическими системами. Например, в следующем параграфе оно будет получено для цикла Карно, совершаемого идеальным газом. Однако во всех случаях, где можно было проверить формулы (1.32) и (1.33) или вытекающие из них следствия, никаких расхождений не было обнаружено. Это дало основание для предположения, что, по-видимому, формулы (1.32) или (1.33) выражают некоторый закон термодинамики. Называя элементарным приращением энтропии (см. формулу (1.23)), можно утверждать, что в результате кругового процесса суммарное изменение энтропии системы, согласно (1.33), равно нулю. Таким образом, был установлен второй закон термодинамики:

энтропия термодинамической системы есть однозначная функция ее состояния.

В каждом определенном состоянии термодинамическая система имеет одно определенное значение энтропии, поэтому при круговых процессах, когда система в точности возвращается в исходное состояние, изменение энтропии равно нулю, т. е.

На тех участках процесса, на которых система получает теплоту извне, имеет положительный знак и энтропия увеличивается; на других участках, где теплота отнимается от системы энтропия уменьшается. В любом круговом процессе независимо от последовательности пробегаемых состояний увеличение энтропии от притока теплоты полностью компенсируется уменьшением энтропии от отдачи теплоты системой.

Таким образом, первый и второй законы термодинамики имеют аналогичные формулировки: если система совершает замкнутый процесс (и, следовательно, в точности возвращается в первоначальное состояние), то

Из соотношений (1.32) или (1.33) можно получить ряд следсгвий; приведем некоторые из них. Прежде всего заметим, что круговые процессы, в течение которых система только получает, но не отдает теплоту, невозможны. Действительно, для таких круговых процессов

все элементарные количества теплоты были бы положительными и тогда в противоречии с соотношением (1.32) сумма была бы отлична от нуля (отрицательные члены этой суммы соответствующие отдаче тепла от системы в окружающую среду, отсутствовали бы). Заметим, что такие процессы не противоречили бы первому закону термодинамики, т. е. закону сохранения энергии, так как система, получив извне теплоту могла бы совершить эквивалентное количество положительной внешней работы и вернуться в исходное состояние с тем же значением внутренней энергии.

Очевидно, невозможны также и круговые процессы, в течение которых система только отдавала бы, но не получала теплоты, тогда в сумме присутствовали бы только отрицательные и отсутствовали положительные члены и эта сумма не равнялась бы нулю. Такие процессы также не противоречили бы закону сохранения энергии, так как работой внешних сил можно было бы полностью компенсировать убыдь энергии системы от отдачи теплоты в окружающую среду и система опять-таки могла бы вернуться в исходное состояние с общим балансом энергии, равным нулю.

Таким образом, мы видим, что осуществить такой круговой процесс, в результате которого система полностью превращала бы в механическую работу всю полученную извне теплоту невозможно; часть этой теплоты система обязательно возвращает в окружающую среду. Пользуясь понятием коэффициента использования теплоты при круговых процессах (см. выражение (1.28)), можно утверждать, что этот коэффициент никогда не может быть равен единице.

Допустим, что получение теплоты извне и отдача ее окружающим телам происходят изотермически. В этом случае, как было показано в предыдущем параграфе, из соотношения (1.29) следует:

т. е. система, совершающая круговой процесс в прямом направлении получает теплоту от тел, имеющих высокую температуру и отдает теплоту телам, имеющим низкую температуру Таким образом, для превращения теплоты в механическую работу помощи круговых процессов необходимо существование разности температур между окружающими систему телами. Существенно, что в результате кругового процесса не только происходит превращение некоторого количества теплоты в механическую работу, но обязательно имеет место «непроизводительный» переход теплоты от горячих тел к холодным. Количество этой «неиспользованной теплоты» зависит от разности температур между телами, участвующими в теплообмене с системой. Чем больше разность между температурой при которой система получает теплоту и температурой при которой отдается неиспользуемая теплота тем выше коэффициент полезного действия кругового процесса следовательно, тем меньше В частности, если холодное тело («холодильник»), которому система могла бы отдать теплоту имеет все время температуру, равную абсолютному нулю (т. е. то

Из этих рассуждений можно сделать заключение, что возможны только такие процессы, в результате которых система получает от окружающих тел, имеющих высокие температуры, некоторое количество теплоты часть этой теплоты превращает в механическую работу а остальную часть возвращает в окружающую среду — телам, имеющим низкие температуры.

Выше речь шла о круговых процессах, идущих в прямом направлении (см. рис. 11.7, а). В результате круговых процессов, идущих в обратном направлении (см. рис. 11.7, б), система получает теплоту от окружающих тел, имеющих низкие температуры, использует работу совершаемую внешними силами, для повышения температуры и затем передает теплоту телам, имеющим высокие температуры.

Заметим, что теплота связана с беспорядочным движением частиц системы, а механическая работа обусловлена упорядоченным движением этих частиц. Если, например, газ, перемещая поршень в цилиндре (см. ч. II, § 3, рис. 11.3), совершает механическую работу, то это означает, что из кинетической энергии беспорядочного движения молекул газа выделяется некоторая часть, которая передается поршню, т. е. переходит в энергию упорядоченного движения поршня. Можно утверждать вообще, что превращение теплоты в механическую работу есть переход энергии беспорядочного движения молекул системы в энергию упорядоченного движения. В связи с этим второй закон термодинамики можно понимать иначе:

при помощи круговых процессов, совершаемых какой-нибудь термодинамической системой, невозможно полностью превратить энергию беспорядочного теплового движения частиц в энергию упорядоченного движения тел.

Формулы (1.31), (1.33) и (1.34) иллюстрируют существенное отличие величин от величин Внутренняя энергия и энтропия 5 характеризуют состояние термодинамической системы, тогда как характеризуют процесс обмена энергией между данной системой и окружающей средой и вовсе не являются функциями состояния этой системы. Нельзя утверждать, что, находясь в определенном состоянии, термодинамическая система имеет определенный «запас теплоты» или «запас работы». Если бы это было так, то при совершении кругового процесса система должна была бы вернуться в первоначальное состояние с теми же «запасами» следовательно, суммарные изменения этих величин должны были бы равняться нулю. Однако в круговых процессах

Далее следует отметить, что при переходе из одного состояния в другое изменения внутренней энергии и энтропии

не зависят от последовательности промежуточных состояний, через которые происходит этот переход, тогда как результирующий теплообмен и суммарная внешняя работа

зависят от этой последовательности. Переход термодинамической системы из одного фиксированного состояния в другое может быть осуществлен различным образом, через множество различных процессов перехода; для всех этих процессов изменения внутренней энергии и энтропии одинаковы, а теплообмен и внешняя работа различны. Таким образом, по изменениям нельзя отличить один процесс перехода от другого; для этого необходимо дополнительно указать величину теплообмена или внешней работы.

Рассмотрим два типа задач, решаемых с помощью первого и второго законов термодинамики:

1) допустим, что нам известны внутренняя энергия и энтропия в начальном и конечном состояниях системы: Необходимо рассчитать теплообмен и внешнюю работу А при переходе из первогр состояния во второе. Очевидно, что одного первого закона термодинамики недостаточно, так как в это соотношение входят обе неизвестные величины. Задача может быть решена, если, например, воспользоваться вторым законом термодинамики и рассчитать теплообмен; так как то

Однако для вычисления этого интеграла недостаточно задать необходимо знать все промежуточные значения температуры и элементарные изменения энтропии в течение всего процесса, т. е. необходимо выделить рассматриваемый процесс перехода среди множества других возможных процессов (разумеется, если бы нам было известно, как изменяются давление и объем в рассматриваемом переходе, то можно было бы определить сначала внешнюю работу а затем, воспользовавшись первым законом термодинамики, рассчитать теплообмен);

2) допустим, что нам известны начальные значения внутренней энергии энтропии теплообмен и внешняя работа требуется определить конечное состояние системы. В этом случае найдем из первого закона термодинамики Однако этого недостаточно для полной характеристики конечного состояния (при данной внутренней энергии система может находиться в различных ростояниях). Можно дополнительно определить энтропию конечного состояния воспользовавшись вторым законом термодинамики;

Для вычисления интеграла здесь также необходимо знание промежуточных этапов перехода из начального состояния в конечное. Однако при этом нет необходимости знать изменения всех параметров, характеризующих систему, достаточно значений теплообмена и температуры Это обстоятельство облегчает исследование и расчеты в тех случаях, когда известно, например, поступление теплоты в систему (нагрев электрическим током, сгорание топлива или химические реакции, сопровождающиеся выделением теплоты, и т. п.) и фиксируется изменение только одного параметра системы — температуры.

books.alnam.ru

Смотрите еще:

  • Приказ о разрешении совмещения Внутреннее совмещение должностей: оформление Обновление: 17 января 2017 г. ​ Приказ о совмещении должностей Если в компании возникает необходимость привлечь текущего сотрудника к выполнению дополнительного функционала, удачным […]
  • Приказ о рабочего времени на предприятии Образец регламента рабочего времени Регламент рабочего времени представляет собой тип документации, который используется для четкого и последовательного описания обязанностей и опций каждого сотрудника в целях предотвращения […]
  • Закон о правилах дорожного движения рк 2018 Правила дорожного движения в Казахстане Республика Казахстан – государство, с которым у России сохранились, пожалуй, наиболее близкие и дружественные отношения из всех бывших советских республик. На таком же уровне Россия […]
  • Пенсия в крыму в 2014 году ЧТО ВАЖНО ЗНАТЬ О НОВОМ ЗАКОНОПРОЕКТЕ О ПЕНСИЯХ Подписка на новости Письмо для подтверждения подписки отправлено на указанный вами e-mail. 24 мая 2016 В связи с обращениями граждан по поводу получения пенсии в прежнем размере […]
  • Передача в залог земельного участка находящегося в аренде Что такое залог права аренды земельного участка? Залог права аренды земельного участка - это ипотека, которая предоставляет человеку, возможно, купить недвижимость, передав под залог не имущество, а арендные права. За последнее время […]
  • Что там нового про пенсии Новый закон о пенсиях 2018 года Не успели улечься страсти по обсуждению пенсионной реформы 2013-2015 гг, как на подходе новый закон о пенсиях 2018 года? Решение о повышении пенсионного возраста принято, о чем объявил Дмитрий Медведев […]
  • Повысить разрешение фотографии Форум сайта фотошоп-мастер: Хочу повысить разрешение картинки - Форум сайта фотошоп-мастер Форум сайта фотошоп-мастер >Вопросы по работе в фотошопе >Общие вопросы по работе в программе Фотошоп Хочу повысить разрешение […]
  • Приказ увольнение по сокращению штатов образец Приказ об увольнении по сокращению штата (образец) Обновление: 9 октября 2017 г. Образец приказа об увольнении по сокращению штата Трудовым законодательством установлена строгая процедура увольнения работников в связи с сокращением […]