тестування онлайн
Другий закон термодинаміки
Перший закон термодинаміки - один з найбільш загальних і фундаментальних законів природи. Невідомо жодного процесу, де він порушувався б. Якщо який-небудь процес заборонений першим законом, то можна бути впевненим, що цей процес ніколи не станеться.
Але перший закон нічого не пояснює, в якому напрямку відбуваються процеси. Наприклад, при падінні каменя вся його кінетична енергія зникає при ударі об землю, але при цьому збільшується внутрішня енергія самого каменю і оточуючих його тіл, так що закон збереження енергії не порушується. Але першим законом термодинаміки не суперечив би і зворотний процес, при якому до лежачого на землі каменю перейшло б від навколишніх предметів деяку кількість теплоти, в результаті чого камінь піднявся б на деяку висоту. Однак ніхто ніколи не чув од таких мимовільно підскакує каменів.
Розбити яйця і зробити яєчню не складно, відтворити ж сирі яйця з готової яєчні - неможливо. Запах з відкритого флакона парфумів наповнює кімнату - проте назад у флакон його не збереш. І причина такої незворотності процесів, що відбуваються у Всесвіті, криється в другому початку термодинаміки, який, при всій його простоті, що здається, є одним з найважчих і часто невірно зрозумілих законів класичної фізики.
Досвід показує, що різні види енергії не рівноцінні щодо здатності перетворюватися в інші види енергії.
Другий закон термодинаміки має кілька формулювань. Формулювання Клаузіуса: неможливий процес переходу теплоти від тіла з більш низькою температурою до тіла з більш високою.
Формулювання Томсона: неможливий процес, результатом якого було б здійснення роботи за рахунок теплоти, взятої від одного якогось тіла. Це формулювання накладає обмеження на перетворення внутрішньої енергії в механічну. Неможливо побудувати машину (вічний двигун другого роду), яка здійснювала б роботу тільки за рахунок отримання теплоти з навколишнього середовища.
Формулювання Больцмана: Ентропія - це показник невпорядкованості системи. Чим вище ентропія, тим хаотичнее рух матеріальних частинок, що складають систему. Давайте подивимося, як вона працює, на прикладі води. У рідкому стані вода являє собою досить неупорядковану структуру, оскільки молекули вільно переміщаються один щодо одного, і просторова орієнтація у них може бути довільною. Інша справа лід - в ньому молекули води впорядковані, коли вони включені в кристалічну решітку. Формулювання другого закону термодинаміки Больцмана, умовно кажучи, говорить, що лід, розтанули і перетворившись в воду (процес, що супроводжується зниженням ступеня впорядкованості і підвищенням ентропії) сам по собі ніколи з води не відродиться. Ентропія не може зменшуватися в замкнутих системах - тобто, в системах, які не отримують зовнішньої енергетичної підживлення. Або, холодильник не працює, якщо він не включений в розетку! Або, частинки, опинившись в безладному хаотичному стані не повертаються в порядок мимовільно.
Оборотні та необоротні процеси
Газ знаходиться в посудині, закритій поршнем. Висуваємо поршень. Це незворотній процес, тому що його не можна повернути в зворотне стан через ті ж проміжні стану системи!
Щоб розширити газ оборотним чином, потрібно висувати поршень нескінченно повільно. При цьому тиск газу буде в повному обсязі однаковим.
Незворотними є процеси, при яких механічна енергія переходить у внутрішню при наявність тертя. За відсутності тертя все механічні процеси протікали б можна зупинити.
Таким чином, рівноважні оборотні процеси є абстракцією через існуючі тертя і теплообміну.
Другий закон термодинаміки можна сформулювати без уточнення виду процесу. При цьому формулювання буде еквівалентна вищевикладеним: поблизу кожного рівноважного стану будь-якої термодинамічної системи існують інші рівноважні стану, недосяжні з першого адиабатическим шляхом.
Принцип адіабатичній недосяжності означає, що практично всі реальні процеси відбуваються з теплообміном: адиабатические процеси - це рідкісний виняток. Поруч з кожним рівноважним станом є безліч інших, перехід в які обов'язково вимагає теплообміну, і лише в деякі з них можна потрапити адиабатически.