Второе начало термодинамики. Как видно, не все количество тепла, получаемое рабочим телом оn нагревателя, можно превратить в работу

Как видно, не все количество тепла, получаемое рабочим телом оn нагревателя, можно превратить в работу, часть его остается неиспользованным. Следовательно, существуют опреде­ленные ограничения при превращении тепла в работу для круго­вых процессов. Эти ограничения не регламентированы первым на­чалом, которое допускает любое превращение теплоты в работу и обратно лишь в эквивалентных соотношениях.

Таким образом, дели бы на было указанных ограничении, то можно было бы построить тепловую машину, которая путем охлаж­дения окружающих тел, могла бы превращать взятую теплоту в работу ( ). Так как запасы тепловой энергии, содержащейся в земле, воде и атмосфера практически не ограничены, то такая машина для практики была бы эквивалентна вечному двигателю. Такую гипотетическую машину называют вечным двигателем II ро­да и второе начало термодинамики формулируют как невозмож­ность построения вечного двигателя второго рода.

Второе начало термодинамики накладывает ограничения на направлениях возможных тепловых процессов: невозможны такие тепловые процессы, единственным коночный результатом которых будет превращение в работу тепла, извлеченного из источника о постоянной температурой (отсутствие холодильника).

Второе начало термодинамики не имеет такого всеобщего действия как первое начало. Но вместе с ним оно управляет всеми тепловыми процессами.

Лекция 14	Энтропия. Энтропия идеального газа. Статистическое толкование второго начала термодинамики.
	Изменение энтропии в необратимых процессах. Теорема Нернста.

Энтропия

Рассмотрим, как математически формулируется второе нача­ло термодинамики.

Для обратимого цикла Карно:

откуда

Эта формула определяет максимальную работу, получаемую при превращении тепла в работу. Часть тепла, равная , при этом не может быть превращена в работу, она передается ок­ружающим телам. Отношение как раз и характеризует ту часть тепла, которую нельзя превратить в работу. Это отношение явля­ется мерой неиспользованного тепла. Р. Э. Клаузис назвал эту ве­личину энтропией (от греч. превращение).

(10.7)

Энтропия является как и внутренняя энергия функцией состояния и может быть выражена через параметры состояния системы :

Она имеет размерность теплоемкости. В термодинамике её определяют через дифференциальное соотношение:

(10.8)

Из (10.5) следует, что для обратимого цикла Карно или, т.к. (10.9)

Это соотношение справедливо для любого обратимого цикла или .

Отсюда следует, что для любых обратимых циклов энтропия остается постоянной.

Если цикл необратимый, то и для такого цикла . Если система теплоизолирована ( ), то для нее , т.е. в ней возможны процессы, для которых энтропия возрастает.

С помощью энтропии математически формулируется второе начало термодинамики.

В изолированных системах возможны лишь процессы, при ко­торых энтропия возрастает: .

Итак, второе начало термодинамики связано с необратимостью реальных процессов, что, в свою очередь, обусловлено мо­лекулярной природой тепловых процессов, хаотичным движением молекул.

Из опыта известно, что в системе, состоящей из большого числа хаотически движущихся молекул, могут возникнуть самопроизвольные процессы, приводящие систему к равновесному состоянию (выравнивание температур, концентраций и т.д.). Обрат­ные из процессы практически не наблюдаются, т.е. они малове­роятны. Таким образом, необратимость тепловых процессов имеет вероятностный характер.

В равновесном состоянии частицы равномерно распределены по всему объему тела, поэтому вероятность такого состояния наибольшая, следовательно, процессы идут в сторону увеличения вероятности состояния. С другой стороны, энтропия процесса возрастает, т.е. энтропия системы связана с вероятностью состояния, в этом заключается статистический смысл энтропии и второго начала термодинамики.

Количественной характеристикой теплового состояния тела может служить число микроскопических способов, которым это состояние может быть осуществлено. Это число называют термоди­намической вероятностью или статистическим весом . Как сле­дует из вышесказанного, должна существовать функциональная зависимость между и .

Такая зависимость была установлена Л. Больцманом, который показал, что:

(10.10)

где - постоянная Больцмана.