Другий закон термодинаміки

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Термодинаміка, основні закони:
Нульовий закон термодинаміки
Перший закон термодинаміки
Другий закон термодинаміки
Третій закон термодинаміки

Дру́гий закон термодина́міки — один із основних законів фізики, закон про неспадання ентропії в ізольованій системі. Він накладає обмеження на кількість корисної роботи, яку може здійснити тепловий двигун. На засадничому рівні другий закон термодинаміки визначає напрямок протікання процесів у фізичній системі - від порядку до безпорядку. Існує багато різних формулювань другого закону термодинаміки, загалом еквівалентних між собою.

Формулювання[ред.ред. код]

Для системи із сталою температурою існує певна функція стану S — ентропія, яка визначається таким чином, що

1. Адіабатичний перехід із рівноважного стану A в рівноважний стан B можливий лише тоді, коли

 S(B) \ge S(A) .

2. Приріст ентропії у квазістаціонарному процесі дорівнює

 dS = \frac{\delta Q}{T} ,

де T — температура.

Альтернативні формулювання[ред.ред. код]

Приведене формулювання дуже формальне. Існує дуже багато альтернативних формулювань другого закону термодинаміки. Наприклад, Планк запропонував таке формулювання:

Неможливо побудувати машину, яка б працювала циклічно, охолоджувала б джерело тепла чи піднімала вгору вантажі, не викликаючи при цьому жодних змін в природі.

Вільям Томсон

Неможливо перетворити теплоту в роботу, не виконуючи ніякої іншої дії крім охолодження системи.

Людвіг Больцман

Природа прагне перейти із станів із меншою ймовірністю реалізації у стани із більшою ймовірністю реалізації.

Вільгельм Оствальд

Неможливо створити вічний двигун 2-го роду

Рудольф Клаузіус:

Самочинний перехід теплоти від менш нагрітого до більш нагрітого неможливий

Саді Карно

Там де є різниця температур там можливе виконання роботи

Поширені такі формулювання:

Неможливо побудувати вічний двигун другого роду.

Неможливо передати тепло від холодного тіла до гарячого, не затративши при цьому енергію.

Кожна система прагне перейти від порядку до безпорядку.

Історична довідка[ред.ред. код]

Другий закон термодинаміки був сформульваний у середині 19-го століття, в ті часи, коли створювалася теоретична основа для конструювання і побудови теплових машин. Досліди Маєра й Джоуля встановили еквівалентність між тепловою й механічною енергіями (перший закон термодинаміки). Виникло питання про ефективність теплових машин. Експериментальні дослідження свідчили про те, що частина тепла обов'язково втрачається при роботі будь-якої машини.

У 1850-х, 1860-х роках Клаузіус у низці публікацій розробив поняття ентропії. В 1865 році він нарешті обрав для нового поняття ім'я. Ці публікації довели також, що тепло неможливо повністю перетворити в корисну роботу, сформулювавши таким чином другий закон термодинаміки.

Статистичну інтерпретацію другому закону термодинаміки дав Больцман, запровадивши нове визначення для ентропії, яке базувалося на мікроскопічних атомістичних уявленнях.

Статистична інтерпретація[ред.ред. код]

Статистична фізика вводить нове означення ентропії, на перший погляд дуже відмінне від визначення термодинаміки. Воно задається формулою Больцмана:

 S = k_B \text{ln}\,\Gamma ,

де Γ — кількість мікроскопічних станів, які відповідають даному макроскопічному стану,  k_B  — стала Больцмана.

Із статистичного означення ентропії очевидно, що зростання ентропії відповідає переходу до такого макроскопічного стану, який характеризується найбільшим значенням мікроскопічних станів.

Стріла часу[ред.ред. код]

Якщо початковий стан термодинамічної системи нерівноважний, то з часом вона переходить до рівноважного стану, збільшуючи свою ентропію. Цей процес протікає лише в один бік. Зворотний процес — перехід від рівноважного стану до початкового нерівноважного, не реалізується. Тобто, плин часу отримує напрямок.

Закони фізики, що описують мікроскопічний світ, інваріантні відносно заміни t на -t. Дане твердження справедливе як стосовно законів класичної механіки, так і законів квантової механіки. В мікроскопічному світі діють консервативні сили, немає тертя, яке є дисипацією енергії, тобто перетворенням інших видів енергії в енергію теплового руху, а це в свою чергу пов'язане із законом неспадання ентропії.

Уявимо собі, наприклад, газ у резервуарі, поміщеному в більший резервуар. Якщо відкрити клапан меншого резервуару, то газ через деякий час заповнить більший резервуар таким чином, що його густина вирівняється. Згідно із законами мікроскопічного світу, існує також і обернений процес, коли газ із більшого резервуару збереться у менший резервуар. Але в макроскопічному світі таке ніколи не реалізується.

Теплова смерть[ред.ред. код]

Якщо ентропія кожної ізольованої системи тільки збільшується з часом, а Всесвіт є ізольованою системою, то коли-небудь ентропія досягне максимуму, після чого будь-які зміни в ньому стануть неможливими.

Такі міркування, які з'явилися після встановлення другого закону термодинаміки, отримали назву теплової смерті. Ця гіпотеза широко дискутувалася в 19-му сторіччі.

Кожен процес у світі призводить до розсіювання частини енергії й переходу її в тепло, до дедалі більшого безпорядку. Звісно, наш Всесвіт ще доволі молодий. Термоядерні процеси в зірках призводять до сталого потоку енергії на Землю, наприклад. Земля є й ще довго залишатиметься відкритою системою, яка отримує енергію з різних джерел: від Сонця, від процесів радіоактивного розпаду в ядрі тощо. У відкритих системах, ентропія може зменшуватися, що приводить до появи різноманітних упорядкованих стуктур.

Докладніше: Самоорганізація

Принцип мінімуму вільної енергії[ред.ред. код]

Принцип мінімуму вільної енергії — принцип, згідно з яким у будь-якій термодинамічній системі при сталому об'ємі та температурі можуть протікати тільки такі спонтанні (самопливні) процеси, в результаті яких вільна енергія Гельмгольца системи знижується.

Принцип мінімуму вільної енергії витікає з другого закону термодинаміки.

Приклади порушень другого закону термодинаміки[ред.ред. код]

Прикладами які, скоріше за все, матимуть практичне значення є газодинамічні лазери та пристрої на основі антистоксової суперлюмінесценції.

В першому випадку енрропія зменшується після проходження робочою сумішшю газів надзвукового реактивного сопла та резонатора. Швидке розширення багатоатомних газів відбувається із швидшою втратою температури
( середньої кінетичної енергії молекул ) ніж повільне, оскільки енергія коливань атомів у молекулах не встигає передаватись в поступальний рух молекул. При цьому енергія накопичена в коливальних модах молекул може бути частково переведена в лазерне випромінювання ентропія якого, на думку Бломбергена, рівна нулю. Ефективний показник адіабати для повільного розширення багатоатомного газу та швидкого різні, тому розширення по "швидкій" адіабаті з втратою енергії в резонаторі лазера еквівалентне розширенню по "повільній" адіабаті ( ізоентропійній ) з наступним охолодженням ( зменшенням ентропії ).

детальніший коментар

Джерела[ред.ред. код]

  • Залевски К. (1973). Феноменологическая и статистическая термодинамика. Москва: Мир.