Что определяет второе начало термодинамики

Содержание:

Второй закон термодинамики:

Иногда можно встретить такие механические явления, в которых процесс протекает одинаково как в прямом, так и в обратном направлении. Например, сняв на видео повторяющиеся колебательные движения математического или пружинного маятника, происходящие за небольшой промежуток времени, и продемонстрировав явление в обратном направлении, можно увидеть, что колебания, происходящие в обратном направлении, в точности повторяют колебания, происходящие в прямом направлении.

Однако все естественные явления, происходящие в природе, можно сказать, однонаправленные; например, рост растений, падение массы воды в водопаде, старение человека и другие. Также имеется определенная направленность явлений в повседневной жизни, в которых мы участвуем; например, мяч после удара футболиста сначала ускоряется, а затем, замедляясь, останавливается; или падающий с высоты камень, ударившись о землю, останавливается, кипящая вода в чайнике, оставленном без внимания на кухне, полностью превращается в пар и др.

Второй закон термодинамики

Другими словами, процесс теплопередачи в термодинамической системе, имеющий конечное значение разности изменения температур, необратим. Эта идея, сформулированная немецким ученым Р.Клаузиусом (1822-1888) в 1850 году, лежит в основе второго закона термодинамики:

Невозможен процесс, результатом которого является только самопроизвольный переход количества теплоты от холодного тела к теплому. Тепловая энергия самопроизвольно может передаваться только в направлении теплового равновесия, то есть от теплого тела к холодному.

Второй закон термодинамики определяет закономерность направления термодинамического процесса. Он показывает, что процесс передачи тепла от холодного тела к теплому не может протекать самопроизвольно, этот процесс можно реализовать в результате совершения работы.

В дальнейших исследованиях было определено, что не только тепловые процессы, но и вообщем, все естественные процессы, происходящие в природе, необратимы.

Необратимый процесс — это процесс, самопроизвольное протекание которого в противоположном направлении невозможно.

Принцип работы теплового двигателя

Принцип работы тепловых машин основан на применении второго закона термодинамики и составляет его научную основу.

Тепловые машины бывают двух видов: тепловые двигатели и холодильные установки.

Тепловым двигателем называется установка, преобразующая внутреннюю энергию различного вида топлива в механическую энергию.

Независимо от особенностей строения, все тепловые двигатели состоят из трех основных частей:

Принципиальная схема работы теплового двигателя следующая: рабочее тело получает от нагревателя количество теплоты отдает холодильнику количество теплоты и за один цикл совершается полезная работа (c):

Для непрерывной работы теплового двигателя процесс, происходящий в двигателе, должен быть циклическим. С этой целью двигатель регулируется, так, чтобы рабочее тело (газ), вначале расширившись после получения количества теплоты, толкает поршень в цилиндре и совершает работу над ним, а затем, сжимаясь, возвращается в первоначальное состояние. После этого газ снова расширяется, и процесс циклически повторяется (трение подвижных частей двигателя и теплообмен с окружающей средой сводится до минимума) (см.: с).

В 1851 году английский ученый Уильям (Кельвин) Томсон (1824-1907), изучив принцип работы теплового двигателя, дал новое прочтение II закона термодинамики:

Тепловой двигатель, выполняющий циклический процесс, без холодильника работать не может.

Коэффициентом полезного действия теплового двигателя называют отношение совершенной им полезной работы к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

Невозможность работы теплового двигателя без холодильника приводит к тому, что их КПД всегда меньше 100%. Это значит, что II закон термодинамики подтверждает невозможность создания вечного двигателя второго рода (регреtuum mobile II):

В 1824 году французский инженер Сади Карно (1796-1832) разработал теорию принципа работы идеального теплового двигателя (двигатель, принцип работы которого подчиняется газовым законам). По этой теории, максимальное КПД идеального теплового двигателя зависит только от абсолютных температур нагревателя и холодильника:

Из выражения (7.29) видно, что для увеличения КПД двигателя необходимо повышение температуры нагревателя и понижения температуры холодильника.

Циклический процесс, реализуемый идеальным тепловым двигателем, состоит из двух изотерм и двух адиабат и называется циклом Карно (d). Для тепловых двигателей этот цикл называется прямым циклом.

Принцип работы холодильных установок

Из схемы превращения энергии в холодильной установке видно, что рабочее тело, расширяясь, получает от холодильной камеры определенное количество теплоты В это время внешние силы, совершая работу сжимают рабочее тело, в результате оно передает нагревателю определенное количество теплоты (f):

Таким образом, процесс передачи количества теплоты от холодного тела к теплому в термодинамической системе происходит не самостоятельно, а в результате совершения работы внешними силами.

Важной характеристикой холодильной установки является коэффициент охлаждения.

Коэффициентом охлаждения холодильной установки называют отношение количества теплоты, полученного от холодильника, к работе, совершенной внешними силами (например, электродвигателем):

Коэффициент охлаждения идеальной холодильной установки:

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Источник

Пришла пора разобраться со вторым фундаментальным постулатом термодинамики, который именуется второе начало термодинамики. Второе начало не является доказуемым в рамках классической термодинамики. Его формулировки – результат обобщения опытов, наблюдений и экспериментов. Попытаемся рассказать о нем кратко и понятно.

В прошлой статье по термодинамике мы говорили о термодинамических системах, состоящих из большого числа частиц. Для описания подобных систем используются так называемые функции состояния.

Термодинамическая функция состояния (или термодинамический потенциал) – это функция, зависящая от нескольких независимых параметров, определяющих состояние системы. Чтобы было понятнее, приведем пример. Одна из функций состояния системы – это ее внутренняя энергия. Она не зависит от того, как именно система оказалось в данном состоянии

Энтропия

Еще одно понятие, с которым нужно познакомиться – это энтропия. Для понимания второго начала термодинамики энтропия очень важна. А еще это красивое слово, которое многих ставит в ступор и которым можно блеснуть в компании.

В самом общем случае, энтропия – мера хаотичности некоторой системы

В термодинамике, энтропия – это функция состояния термодинамической системы, которая определяет меру необратимого рассеивания энергии. Что это значит? Это значит, что какая-то часть внутренней энергии системы не может перейти в совершаемую системой механическую работу. Например, процесс преобразования теплоты в механическую работу всегда сопровождается потерями, в результате которых теплота трансформируется в другие виды энергии.

Энтропия при необратимых термодинамических процессах увеличивается, а при обратимых – остается постоянной. Математическая запись энтропии (S):

Здесь дельта Q – количество теплоты, подведенное или отведенное от системы, T – температура системы, dS – изменение энтропии.

Существует несколько различных формулировок второго начала термодинамики, и вот одна из них:

Энтропия замкнутой системы возрастает при любых необратимых процессах в этой системе

Так как нас интересует именно понимание сути вещей, приведем еще одно самое простое определение:

Невозможен процесс, единственным результатом которого является передача энергии в форме теплоты от холодного тела к горячему

К слову, данная формулировка второго начала термодинамики принадлежит Рудольфу Клаузиусу, который и ввел в обиход понятие энтропии.

Невозможен процесс, единственным результатом которого является передача энергии в форме теплоты от холодного тела к горячему

И снова вечный двигатель

После разочарования с идеей вечного двигателя первого рода люди и не думали сдаваться. Через какое-то время был придуман вечный двигатель второго рода, работа которого основывалась на передаче тепла и не перечила закону сохранения энергии. Такой двигатель преобразует все тепло, полученное от окружающих тел, в работу. Например, в качестве его реализации предполагалось путем охлаждения океана получить огромное количество теплоты. Но к счастью до охлаждения океана и заморозки рыб дело не дошло, т.к. данная идея противоречит второму началу динамики. КПД любой машины не может быть равен единице, также как тепло не может быть преобразовано в работу полностью. Так что сколько ни старайтесь, а вечный двигатель второго рода создать невозможно, так же как и вечный двигатель первого рода.

После введения Рудольфом Клаузиусом понятия энтропии в 1865 году возникло множество споров, домыслов и теорий, связанных с этим понятием. Одна из них – гипотеза о тепловой смерти Вселенной, сформулированная самим Клаузиусом на основе второго начала термодинамики.

Рудольф Клаузиус (1822-1888)

Данная теория, сформулированная Клаузиусом, гласит, что Вселенная, как любая замкнутая система, стремится к состоянию термодинамического равновесия, характеризующемуся максимальной энтропией и полным отсутствием макроскопических процессов, что в свою очередь обессмысливает привычное нам понятие времени. По Клаузиусу: «Энергия мира остается постоянной. Энтропия мира стремиться к максимуму». Это означает, что когда Вселенная придет в состояние термодинамического равновесия, все процессы прекратятся и мир погрузиться в состояние «тепловой смерти». Температура в любой точке Вселенной будет одной и той же, более не будет каких-либо причин, способных вызвать возникновение каких бы то ни было процессов.

Концепция тепловой смерти вселенной еще в недалеком прошлом была довольно широко распространена и являлась предметом активных дискуссий. Так, в книге Джинса «Universe around us» (1932г.) можно найти следующие строки касательно тепловой смерти Вселенной: «Вселенная не может существовать вечно; рано или поздно должно наступить время, когда ее последний эрг энергии достигнет наивысшей степени на лестнице падающей полезности, и в этот момент активная жизнь Вселенной должна будет прекратиться».

Где-то во Вселенной

При выводе своей теории Клаузиус прибегал в своих рассуждениях к следующим экстраполяциям (приближениям):

Интересный факт : рассуждения о тепловой смерти позволили церкви заявить, что с научной точки зрения (в том числе и благодаря теории Клаузиуса) можно найти предпосылки, указывающие на существование бога. Так, в 1952 году на заседании «папской академии наук» папа Пий 12-й в своей речи сказал: «Закон энтропии, открытый Рудольфом Клаузиусом, дал нам уверенность, что спонтанные природные процессы всегда связаны с некоторой потерей свободной, могущей быть использованной энергии, откуда следует, что в замкнутой материальной системе в конце концов эти процессы в макроскопическом масштабе когда-то прекратятся. Эта печальная необходимость. красноречиво свидетельствует о существовании Необходимого Существа».

Опровержение теории тепловой смерти Вселенной

Как уже отмечалось выше Клаузиусом, при выводе его теории применялись определенные экстраполяции. Сегодня несмотря на некоторые сложности можно с уверенностью сказать, что подобные выводы являются антинаучными. Дело в том, что существуют определенные границы применимости второго начала термодинамики: нижняя и верхняя. Так, второе начало термодинамики не может быть применено для описания микросистем, размеры которых сравнимы с размерами молекул, и для макросистем, состоящих из бесконечного числа частиц, т.е. для Вселенной в целом.

Второе начало термодинамики не применимо ко Вселенной как замкнутой системе

Собственно первым ученым, установившим статистическую природу второго начала термодинамики и противопоставившим теории тепловой смерти Вселенной так называемую флуктуационную гипотезу, был выдающийся физик-материалист Больцман. Имеет место формула Больцмана, позволяющая дать статистическое истолкование второму началу термодинамики

Здесь S – энтропия системы, k – постоянная Больцмана, P – термодинамическая вероятность состояния, определяющая число микросостояний системы, соответствующих данному макросостоянию. Согласно формуле Больцмана,

Людвиг Больцман (1844-1906)

Современный подход безусловно отвергает теорию тепловой смерти Вселенной. Учитывая огромный возраст Вселенной и тот факт, что она не находится в состояние тепловой смерти, можно сделать вывод о том, что во Вселенной протекают процессы, препятствующие росту энтропии, т.е. процессы с отрицательной энтропией. Однако выводам Больцмана о том, что во Вселенной преобладает состояние термодинамического равновесия, все более противоречит растущий экспериментальный материал астрономии. Материя обладает никогда не утрачиваемой способностью к концентрации энергии и превращения одних форм движения в другие. Так, например, процесс образования из рассеянной материи звезд подчиняется определенным закономерностям и не может быть сведен исключительно к случайным флуктуациям распределения энергии во Вселенной.

Дорогие друзья! Сегодня мы по возможности выяснили, какой смысл имеет понятие энтропии для второго начала термодинамики, узнали, что вечный двигатель второго рода невозможен, а также порадовались, что тепловой смерти Вселенной все-таки не случится. Мы как всегда надеемся на то, что вам понравилась наша статья, в которой мы старались рассказать о термодинамике просто, понятно и интересно. Желаем успехов в учебе и напоминаем – подсказать, помочь, проконсультировать и взять часть нагрузки на себя всегда готовы наши специалисты. Учитесь и живите в свое удовольствие!

Иван Колобков, известный также как Джони. Маркетолог, аналитик и копирайтер компании Zaochnik. Подающий надежды молодой писатель. Питает любовь к физике, раритетным вещам и творчеству Ч. Буковски.

Источник

Второе начало термодинамики

Начала термодинамики
Статья является частью серии «Термодинамика».
Нулевое начало термодинамики
Первое начало термодинамики
Второе начало термодинамики
Третье начало термодинамики
Разделы термодинамики
Начала термодинамики
Уравнение состояния
Термодинамические величины
Термодинамические потенциалы
Термодинамические циклы
Фазовые переходы
править
См. также «Физический портал»

Второе начало термодинамики — физический принцип, накладывающий ограничение на направление процессов передачи тепла между телами.

Второе начало термодинамики запрещает так называемые вечные двигатели второго рода, показывая что коэффициент полезного действия не может равняться единице, поскольку для кругового процесса температура холодильника не может равняться абсолютному нулю.

Второе начало термодинамики является постулатом, не доказываемым в рамках термодинамики. Оно было создано на основе обобщения опытных фактов и получило многочисленные экспериментальные подтверждения.

Содержание

Формулировки

Существуют несколько эквивалентных формулировок второго начала термодинамики:

Эквивалентность этих формулировок легко показать. В самом деле, допустим, что постулат Клаузиуса неверен, то есть существует процесс, единственным результатом которого была бы передача тепла от более холодного тела к более горячему. Тогда возьмем два тела с различной температурой (нагреватель и холодильник) и проведем несколько циклов тепловой машины, забрав тепло у нагревателя, отдав холодильнику и совершив при этом работу . После этого воспользуемся процессом Клаузиуса и вернем тепло от холодильника нагревателю. В результате получается, что мы совершили работу только за счет отъёма теплоты от нагревателя, то есть постулат Томсона тоже неверен.

С другой стороны, предположим, что неверен постулат Томсона. Тогда можно отнять часть тепла у более холодного тела и превратить в механическую работу. Эту работу можно превратить в тепло, например, с помощью трения, нагрев более горячее тело. Значит, из неверности постулата Томсона следует неверность постулата Клаузиуса.

Таким образом, постулаты Клаузиуса и Томсона эквивалентны.

Другая формулировка второго начала термодинамики основывается на понятии энтропии:

Такая формулировка основывается на представлении об энтропии как о функции состояния системы, что также должно быть постулировано.

Второе начало термодинамики в аксиоматической формулировке Рудольфа Юлиуса Клаузиуса (R. J. Clausius, 1865) имеет следующий вид [2] :

Для любой квазиравновесной термодинамической системы существует однозначная функция термодинамического состояния , называемая энтропией, такая, что ее полный дифференциал .

В состоянии с максимальной энтропией макроскопические необратимые процессы (а процесс передачи тепла всегда является необратимым из-за постулата Клаузиуса) невозможны.

Ограничения

С точки зрения статистической физики второе начало термодинамики имеет статистический характер: оно справедливо для наиболее вероятного поведения системы. Существование флуктуаций препятствует точному его выполнению, однако вероятность сколь-нибудь значительного нарушения крайне мала. Смотри также Демон Максвелла.

Поскольку второе начало термодинамики (в формулировке Клаузиуса) основано на предположении о том, что вселенная является замкнутой системой, возможны и другие виды критики этого закона. В соответствии с современными физическими представлениями мы можем говорить лишь о наблюдаемой части вселенной. На данном этапе человечество не имеет возможности доказать ни то, что вселенная есть замкнутая система, ни обратное.

Энтропия и критика эволюционизма

См. также

Примечания

Литература

Полезное

Смотреть что такое «Второе начало термодинамики» в других словарях:

ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ — один из осн. законов термодинамики; устанавливает необратимость макроскопич. процессов, протекающих с конечной скоростью: процессы, связанные с теплообменом при конечной разности темп р, с трением, с диффузией, с выделением джоулевой теплоты и др … Физическая энциклопедия

ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ — один из осн. законов термодинамики, устанавливающий необратимость реальных термодинамич. процессов. В. н. т. сформулировано как закон природы H. Л. С. Карно (N. L. S. Carnot) в 1824, P. Клаузиусом (R. Clausius) в 1850 и У. Томсоном (Кельвином) (W … Физическая энциклопедия

ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ — один из основных законов термодинамики, закон возрастания энтропии: в замкнутой, т. е. изолированной в тепловом и механическом отношении, системе энтропия либо остается неизменной (если в системе протекают обратимые, равновесные процессы), либо… … Большой Энциклопедический словарь

второе начало термодинамики — – устанавливает существование энтропии как функции состояния макроскопической системы и определяет для всех протекающих в природе процессов соотношение между энтропией и теплотой. Различные виды энергии стремятся превратиться в теплоту, а теплота … Химические термины

Второе начало термодинамики — принцип, устанавливающий необратимость макроскопических процессов, протекающих с конечной скоростью. В отличие от чисто механических (без трения) или электродинамических (без выделения джоу левой теплоты) обратимых процессов (См.… … Большая советская энциклопедия

второе начало термодинамики — один из основных законов термодинамики, закон возрастания энтропии: в замкнутой, то есть изолированной в тепловом и механическом отношении, системе энтропия либо остаётся неизменной (если в системе протекают обратимые равновесные процессы), либо… … Энциклопедический словарь

второе начало термодинамики — antrasis termodinamikos dėsnis statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Apibrėžtį žr. priede. priedas( ai) Grafinis formatas atitikmenys: angl. second law of thermodynamics vok. Entropiesatz, m; zweiter Hauptsatz der… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

второе начало термодинамики — antrasis termodinamikos dėsnis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. second law of thermodynamics vok. Entropiesatz, m; zweiter Hauptsatz der Thermodynamik, m rus. второе начало термодинамики, n; второй закон термодинамики, m pranc.… … Fizikos terminų žodynas

второе начало термодинамики — antrasis termodinamikos dėsnis statusas T sritis Energetika apibrėžtis Dėsnis, apibūdinantis šilumos virtimo darbu sąlygas. Antrosios rūšies amžinojo variklio sukurti negalima. Esama daug tolygių formuluočių: a) negalimas procesas, kurio… … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas

ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ — устанавливает существование энтропии как ф ции состояния макроскопич. системы и вводит понятие абс. термодинамич. т ры. Утверждает, что все процессы, протекающие с конечной скоростью, в принципе необратимы, и дает термодинамич. критерии для… … Химическая энциклопедия

Источник