Второе начало термодинамики

· Первое начало термодинамики показывает невозможность создания «вечного двигателя первого рода» – машины, совершающей работу без затрат энергии.

· Однако, из него следует, что можно создать двигатель, совершающий работу за счет тепловой энергии газа – тепловую машину.

· КПД такой машины называется величина .

· Идея: сделать машину, у которой бы вся подводимая теплота переходила бы в работу. Она получила название «вечного двигателя второго рода». Казалось бы, для этого достаточно осуществить изотермический процесс. Но оказалось, что для повторяющегося процесса этого недостаточно, поскольку надо вернуть систему в исходное состояние.

Очень большой вклад в решение проблемы увеличения КПД паровых машин сделал французский физик Николя́ Леона́р Сади́ Карно́ (1796-1832)

Сын известного политического деятеля и математика Лазара Карно и дядя Мари-Франсуа Сади Карно, бывшего президентом Франции. Сади Карно получил хорошее домашнее образование. В 1812 году блестяще закончил лицей Карла Великого и поступил в Политехническую школу — лучшее на тот момент учебное заведение Франции. В 1814 году он ее закончил шестым по успеваемости и был направлен в Инженерную школу в городе Мец. После завершения которой в 1816 году был распределен в инженерный полк, где провел несколько лет. В 1819 году выиграл конкурс на замещение вакансии в Главном штабе корпуса в Париже и перебрался туда. Там он познакомился с химиком Никола Клеманом, занимавшимся изучением газов. Общение с ним вызвало интерес у Карно к изучению паровых машин. И в 1824 году вышла первая и единственная работа Сади Карно — «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». Эта работа считается основополагающей в термодинамике. В ней был произведен анализ существующих в то время паровых машин, и были выведены условия, при которых КПД достигает максимального значения (в паровых машинах того времени КПД не превышал 2%). Помимо этого там же были введены основные понятия термодинамики: идеальная тепловая машина, идеальный цикл, обратимость и необратимость термодинамических процессов. В 1828 году Карно оставил военную службу. Он много работал, при том, что в 1830 году произошла очередная французская революция. Умер Карно в 1832 году от холеры. По правилам все его имущество, в том числе и бумаги, было сожжено. Таким образом, его научное наследие было утрачено. Уцелела только одна записная книжка — в ней сформулировано Первое начало термодинамики.

Выводы Карно:

· «Возникновение движущей силы обязано в паровых машинах не действительной трате тепла, но его переходу от горячего тела к холодному… Недостаточно создать теплоту, чтобы вызвать появление движущей силы: нужно ещё добавить холод, без него теплота стала бы бесполезной» К.П.Д.=A/Q₁=(Q₁-Q₂)/Q₁

· «Движущая сила тепла в идеальном цикле не зависит от агентов, взятых для его развития, её количество исключительно определяется температурами тел, между которыми, в конечном счёте производится перенос тепла»

Цикл Карно: Идеальный цикл, имеющий максимально возможный К.П.Д. Состоит из двух изотерм и двух адиабат. Его коэффициент полезного действия:

К.П.Д.=(T₁-T₂)/T₁

Второе начало термодинамики в формулировке Кельвина: «Невозможно построить периодически действующую машину, единственным результатом которой было бы совершение механической работы.»

Поэтому обязательно должен быть холодильник, которому машина отдает теплоту и тогда Максимально возможный КПД имеет цикл Карно. Его КПД определяется только температурами нагревателя и холодильника:

Второе начало термодинамики в формулировке Клаузиуса: «Невозможен процесс, при котором теплота самопроизвольно переходила бы от более холодных тел к более нагретым.»

5. Энтропия и её статистический смысл

Обратимые и необратимые процессы

§ Обратимый процесс– возможен обратный процесс, при котором система проходит те же термодинамические состояния, но в обратном порядке

§ В принципе обратимых процессов в природе не существует, но если предположить, что система переходит от одного состояния к другому бесконечно медленно через последовательность равновесных состояний (квазистатически), то такой процесс можно считать обратимым

§ Пример обратимого процесса:Цикл Карно

§ Необратимые процессы:

1. Передача тепла от более нагретого тела менее нагретому

2. Расширение газа в пустоту. На этом примере разобрать понятие о статистическом весе и объяснить понятие энтропии.

Лю́двиг Бо́льцман1844-1906 – великий австрийский физик, автор статистической трактовки понятия энтропии. Повесился в гостиничном номере на оконной верёвке.

Энтропия

§ Количественное значение: S=k·lnΩ, где Ω – термодинамическая вероятность состояния (формула Больцмана, статистическая интерпретация энтропии)

§ Приращение энтропии в ходе некоторого процесса: ΔS=Q/T, где Q – полученное системой в процессе количество теплоты, а T – температура, при которой это произошло.

§ Физический смысл: Энтропия является мерой неупорядоченности системы (степенью хаоса или беспорядка). Чем больше энтропия, тем больше беспорядка в системе.

§ Второе начало термодинамики: «В изолированной системе энтропия не убывает»ΔS≥0

§ Другими словами: Предоставленная самой себе система стремится к своему наиболее вероятному состоянию.

Альтернативные формулировки второго начала термодинамики

Статистическая:Система, предоставленная самой себе стремится перейти в своё наиболее вероятное состояние

Житейская:Без постороннего вмешательства хаос побеждает порядок

Третье начало термодинамики (теорема Нернста):

При приближении температуры системы к абсолютному нулю энтропия стремится также к нулю независимо от значений параметров, характеризующих состояние системы

6. Гипотеза «Тепловой смерти Вселенной»

Все виды энергии в конце концов перейдут в тепловую, после чего во Вселенной прекратятся все макроскопические процессы.

Критика концепции «Тепловой смерти Вселенной»

1. Вселенная не является замкнутой системой, и применение к ней второго начала термодинамики бессмысленно.

2. Несмотря на то, что Вселенная пребывает в равновесном состоянии, в отдельных её частях могут происходить отклонения от этого состояния.

3. Энтропия открытой системы может убывать, что иногда приводит к самоорганизации системы. (Объяснить этот пункт)