2.2 Второе начало термодинамики. Энтропия

Привет, Вы узнаете о том , что такое второе начало термодинамики энтропия, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое второе начало термодинамики энтропия , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Синергетика.

Обратим внимание на исключительно важное обстоятельство, а именно, на роль холодильника. В каждом двигателе должен быть свой холодильник, причем на определенной стадии цикла этому холодильнику необходимо отдавать часть энергии. В этом, по существу, и состоит второе начало термодинамики. Иными словами, существует, по видимому, своего рода фундаментальный "налог": природа признает эквивалентность теплоты и работы, но требует с нас "контрибуции" всякий раз, когда теплота преобразуется в работу. Но при этом имеет место еще и асимметрия: природа не облагает "налогом" преобразования работы в теплоту, например, за счет трения.

Второе начало термодинамики имеет различные формулировки, например,

Карно: "Наибольший КПД теплового двигателя не зависит от рабочего тела и определяется только температурой, в пределах которой двигатель работает".

Клаузиус: "Теплота не может переходить от холодного тела к теплому сама собой, даровым способом".

Обратим внимание на распространенные явления природы и жизни с позиции второго начала термодинамики.

Рис. 1 Выравнивание различных градиентов: а. - сосуд с коктейлем (Т₁) и со льдом (Т₂);б. - два сосуда с разными газами и процесс выравнивания концентраций при соединении сосудов.

На рис. 1,а изображен сосуд с коктейлем 1 с температурой Т₁и лед 2 с температурой Т₂, лед растает, и установится средняя температура Т₁>Т_ср>Т₂.

На рис. 1,б в двух сосудах находятся разные газы, при соединении сосудов распределение газа устанавливается в них равномерное и одинаковое. Если в луже находится капля бензина, то она со временем растекается по поверхности. К этому же классу относятся и такие наблюдения: колечко сигаретного дыма тает; огонь костра гаснет и т. д.

Из этих наблюдений следует, что в природе господствует тенденция к рассеянию энергии, выравниванию температур, концентраций, давлений. При этом состояние вещества меняется в единственном направлении - выравнивания различных градиентов.

Отсюда возникла идея тепловой смерти Вселенной. Как писал астроном Джинс: "Не остается ничего, кроме скучного единообразия, от которого можно ожидать только небольших и незначительных местных изменений".

Состояние однообразия является как бы наиболее вероятным, что позволило дать еще одну формулировку второму началу

Больцман: "Природа стремиться к переходу от состояний менее вероятных к состояниям более вероятным".

Оказалось, что эти процессы можно выразить количественно. Для характеристики теплового состояния системы Клаузиус ввел в 1865 году новую величину - энтропию^*. По гречески слово  означает "обращение", "поворот", а энтропия -  - "превращать", "круговорот".

Подробнее количественное определение, вывод энтропии дан отдельным параграфом.

Энтропия - параметр, определяющий состояние системы, в частности, газа, и является функцией этого состояния, также как и давление P, объем V, температура Т, внутренняя энергия U, т. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . е. параметр макроскопический.

Далее будет показано, что энтропия определяет состояние системы с позиции ее внутренней упорядоченности: чем больше хаос в системе, тем выше ее энтропия. Обобщая эти свойства Клаузиус сформулировал закон: "Энергия Вселенной постоянна, энтропия Вселенной стремится к максимуму".

Потеря качества. Необратимость

Рис. 2. Схема изменения энтропии при передачи тепла от нагревателя к холодильнику

На рис. 2 представлена схема работы преобразования тепловой энергии в работу: от нагревателя передается тепловая энергия в машину, которая превращает ее в работу. При этом природе платится "налог" в виде теплоты, сообщенной холодильнику. Эта энергия уже непригодна для совершения работы, если не воспользоваться еще более "холодным" холодильником. Энергия, запасенная при более высокой температуре, обладает как бы более высоким "качеством": она пригодна для совершения работы. Посмотрим на эти процессы с позиции изменения энтропии.

Когда энергия Q₁ передается от нагревателя к холодильнику, энтропия убывает на величину Q₁/T₁и одновременно возрастает на величину Q₂/T₂. Энтропия характеризует условия, при которых запасается энергия: если энергия запасается при высокой температуре T₁, то ее энтропия низка и качественно высока.

Естественное течение процессов изменения характеризуется понижением качества энергии Вселенной. Поскольку энергия Вселенной остается постоянной (первое начало термодинамики), то при сжигании топлива (уголь, нефть, уран и т. д.) общие запасы энергии не меняются, но увеличивается энтропия мира. Иными словами, необходимо направить развитие цивилизации по пути снижения уровня производства энтропии.

Рис. 3. Потоки тепла: а.- от первого тела ко второму; б.- при таянии льда в сосуде с водой

Второе начало термодинамики говорит лишь о направлении изменения величин: энтропия растет. Рассмотрим следующий пример: приведены в соприкосновение два тела с температурами T₁ и, T₂ переносится поток тепла от первого ко второму телу. Такой процесс осуществляется при таянии льда в сосуде с водой (рис. 3). При этом вода отдает льду энергию  Q и ее энтропия  S_в падает на  <0. Лед получает энергию  Q и его энтропия  >0 возрастает. Общее изменение энтропии:

 >0

Этот процесс необратимый, и в системе вода- лед энтропия возрастает. Возникает вопрос: до какого значения может расти энтропия? Ответ очевиден - до S=S_max, при котором возникает равновесное состояние.

Если эти выводы распространить на Вселенную, то ее ожидает полное выравнивание градиентов всех параметров в природе, т. е. тепловая смерть.

Асимметрия в природе

Во всей ньютоновской физике до XIX века имели дело лишь с обратимыми процессами. Действительно, второй закон механики можно представить в форме

где время фигурирует в квадрате, т. е. возможно обратить процесс в прошлое (-t). Но если учесть превращение части механической энергии в теплоту из-за трения, то сила трения F_тр, как известно, пропорциональна нормальной составляющей градиента скорости, т. е.

и сила трения зависит от времени в первой степени.

В этом случае замена положительного направления времени t на обратное (-t) приведет к изменению результатов. При учете рассеяния энергии исчезает инвариантность по отношению ко времени, т. е. процесс примет асимметричный характер.

Рис 4 Движение теплового потока: а.- разрешено; б.- запрещено.

Это проявляется во всех тепловых процессах. Например, на рис. 4,а изображен процесс выравнивания температур двух приведенных в соприкосновение тел с первоначальными температурами Т₁=100^o и Т₂=20^o Но обратный процесс (рис. 4,б) является запрещенным.

Так классическая физика споткнулась о "камень" энтропии. Этот конфликт попытался разрешить австрийский физик Больцман. Он рассматривал газ как ансамбль огромного числа движущихся молекул. Беспорядочное движение молекул в газе есть тепловое движение. Чем выше скорость молекул, тем выше температура газа, которую можно выразить через статистически усредненные скорости. Это можно сделать и для энтропии.

Так Больцману удалось получить для энтропии строгую интерпретацию в терминах ньютоновской физики. При этом Больцман дал физическое объяснение понятию "рост энтропии": рост энтропии - рост хаоса - разрушение порядка. Но об этой работе речь будет идти ниже.

Энтропия и энергия. Стрела времени

Сопоставим два важнейших параметра в физике - энтропию и энергию. В гигантской фабрике естественных процессов принцип энтропии можно сравнить с ролью директора, который предписывает заключение сделок, а закон сохранения энергии играет роль главного бухгалтера, который приводит в равновесие дебет и кредит. В изолированной системе процессы идут так, что  S>0.

Обратим внимание еще на одну особенность энтропии: в обратимых процессах энтропия подобно энергии сохраняется, а в необратимых - энергия сохраняется, а энтропия растет до тех пор, пока не возникнет равновесное состояние. Если развитие естественных процессов характеризовать ростом энтропии, то и движение времени (так называемая "стрела времени") должна быть также направлена от прошлого к будущему.

В предыдущих рассуждениях неявно принималось, что обратимый процесс протекает бесконечно медленно, т. к. на каждом этапе, хотя бы при анализе цикла Карно, существует равновесие. Температура газа Т_г равна температуре Т_х холодильника, Т_г=Т_х. В рассуждениях отсутствует понятие скорости процесса, времени. Эта особенность рассмотрения процессов позволяет назвать классическую термодинамику правильнее термостатикой. В дальнейшем в рассуждения будет введено время, и этим будет сделан первый шаг к подлинной термодинамике.

Прочтение данной статьи про второе начало термодинамики энтропия позволяет сделать вывод о значимости данной информации для обеспечения качества и оптимальности процессов. Надеюсь, что теперь ты понял что такое второе начало термодинамики энтропия и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Синергетика

Из статьи мы узнали кратко, но содержательно про второе начало термодинамики энтропия