Второе начало термодинамики. Энтропия

Второе начало термодинамики является фундаментальным законом природы. Оно охватывает самый широкий круг природных явлений и указывает направление, в котором самопроизвольно протекают термодинамические процессы.

Второе начало термодинамики, как и первое, имеет несколько формулировок.

Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого является превращение теплоты, полученной от нагревателя, полностью в работу.

Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого является передача теплоты от менее нагретого тела к более нагретому.

Эти формулировки показывают, что тепловые процессы являются необратимыми. Мерой необратимости процесса, мерой хаотичности является энтропия.

К определению энтропии S можно прийти на основе анализа работы тепловых машин. Если система получает тепло или отдает тепло , то состояние ее меняется. Тогда, при изменении состояния системы, можно найти не саму энтропию, а только ее изменение, т. е.

Для тепловой машины изменение энтропии нагревателя и холодильника равны:

Формула справедлива для изотермического процесса и представляет собой термодинамическое определение энтропии. Энтропией называется термодинамическая величина, изменение которой в системе пропорционально изменению ее тепловой энергии, деленной на абсолютную температуру. Для любого процесса можно найти бесконечно малое изменение энтропии, т. е. ее дифференциал

где - элементарная теплота (см. формулу (4.16)).

В интегральной форме для любого процесса изменение энтропии равно

Найдем изменение энтропии за один цикл для тепловой машины. Из неравенства (4.20) следует, что . Полное изменение энтропии за цикл больше или равно нулю

Знак равенства ΔS = 0 относится к обратимым процессам, которые являются бесконечно медленными процессами.

Знак неравенства ΔS > 0 относится к необратимым процессам. В реальных системах все процессы необратимы. Например, расширение газа, выравнивание температуры.

Таким образом, второе начало термодинамики формулируется и как закон возрастания энтропии (4.24).

Во всех необратимых процессах в замкнутой системе энтропия всегда возрастает.

Возрастание энтропии сопровождается выравниванием температуры или плотности газа. Это можно связать с порядком и беспорядком. Под порядком будем понимать сосредоточение частиц или энергии в определенном месте пространства, а под беспорядком (хаосом) - равномерное распределение их во всем объеме. Тогда возрастание энтропии при совершающихся без внешних воздействий необратимых процессах отражает природное стремление систем переходить от состояния более упорядоченного в состояние менее упорядо-ченное. Этот процесс сопровождается рассеянием (или диссипацией) энергии.

Как мы видим, второе начало термодинамики определяет направленность тепловых процессов в изолированных системах, они всегда протекают в сторону роста энтропии, в сторону увеличения беспорядка. Капелька туши растворяется во всем объеме, колечко сигаретного дыма тает, огонь костра гаснет, разрушаются горы, гаснут звезды и т. д. Вся практическая деятельность людей как в технике, так и в сельском хозяйстве, представляет собой не что иное, как создание из природных материалов искусственных структур, т. е. в том или ином смысле борьбу с самопроизвольным ростом энтропии.

Возникновение упорядоченных структур возможно только в незамкнутых, т. е. в открытых системах. Открытой системой называется система, которая обменивается энергией и веществом с окружающей средой. В открытых системах энтропия может как возрастать, так и убывать в зависимости от знака .

Трудами Ильи Пригожина (датский физик русского происхождения) строго доказано, что в открытых системах, находящихся в неравновесном состоянии, при определенных условиях из хаоса может возникать порядок. Процесс возникновения из хаоса упорядоченных структур называется самоорганизацией. Процессы самоорганизации являются общими для живой и неживой природы.

Феномен жизни является примером сохранения и увеличения упорядоченности и, следовательно, уменьшения энтропии. Жизненный цикл наблюдается только в открытых системах. Он включает в себя три стадии: рождение, развитие, смерть. На первых двух стадиях энтропия понижается, возникает и развивается структура. На этих стадиях живой организм поддерживает связь с окружающей средой. На третьей стадии система становится замкнутой, энтропия возрастает и достигает максимума. В этом смысле жизнь - это борьба с возрастанием энтропии. Человек существует, пока он активно поддерживает связь с окружающим миром, обменивается с ним энергией, веществом и информацией.

Задания и вопросы для самоконтроля

1. В чем заключается молекулярно-кинетические представления?

2. Что такое моль? Как находится молярная масса?

3. Запишите уравнение Менделеева - Клапейрона.

4. Сформулируйте закон Дальтона.

5. Назовите изопроцессы.

6. В чем молекулярно-кинетический смысл абсолютной температуры?

7. Что называется числом степеней свободы?

8. Как вычисляется внутренняя энергия идеального газа?

9. Как вычисляется работа в термодинамике?

10. Сформулируйте I начало термодинамики.

11. Как устроена тепловая машина? От чего зависит КПД тепловой машины?

12. Что показывает энтропия? Дайте термодинамическое определение энтропии.

13. Сформулируйте II начало термодинамики.

14. Как определяется направленность тепловых процессов? Как изменение энтропии связано с порядком и беспорядком?

15. Какая система называется открытой?

16. Что называется самоорганизацией?

17. Как ведет себя энтропия в живых системах?

КВАНТОВАЯ ФИЗИКА

Квантовая физика занимается изучением законов движения микрочастиц, которые являются носителями как корпускулярных, так и волновых свойств.

Днем рождения квантовой физики считается 14 декабря 1900 г., когда немецкий физик Макс Планк на заседании Берлинского физического общества изложил теорию излучения энергии нагретыми телами. В основе теории теплового излучения лежала гипотеза о дискретном характере излучения. Согласно этой гипотезе, атомы нагретых тел излучают энергию в виде порций или квантов. Дальнейшее развитие квантовые представления получили при объяснении законов фотоэффекта и строения атома.

Законы фотоэффекта

Внешним фотоэффектом называется вырывание электронов из вещества под действием света. Законы фотоэффекта изучали с помощью схемы с двухэлектродной лампой с освещаемым катодом (рис. 5.1). Под действием света из катода вырываются электроны, которые под действием электрического поля перемещаются к аноду, создавая анодный ток.

Рис.5.1

Вольтамперная характеристика, полученная с помощью такой схемы при неизменном световом потоке Ф, приведена на рис. 5.2.

Рис.5.2

Из анализа вольтамперных характеристик получены законы фотоэффекта.

1. Свет не любой частоты вызывает фотоэффект. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. минимальная частота v₀, при которой возможен фотоэффект.

Величина v₀ зависит от химической природы вещества и состояния его поверхности.

2. Максимальная энергия фотоэлектронов не зависит от светового потока, а линейно зависит от частоты света.

3. Величина фототока насыщения, возникающего при освещении монохроматическим светом, пропорциональна падающему световому потоку Ф,

I_нас = К_ст · Ф - закон Столетова,

где К_ст - коэффициент пропорциональности.

Эти законы невозможно было объяснить с классической точки зрения, согласно которой электрическая компонента электромагнитной волны вызывает вынужденные колебания свободных электронов в металле, сообщая им энергию, достаточную для вылета. Тогда максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов должна быть пропорциональна квадрату амплитуды световой волны (см. (3.14)), т. е. должна зависеть от светового потока, что противоречит опытным фактам.