Второй закон термодинамики

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

«УФИМСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ЭКОНОМИКИ  И СЕРВИСА»

 

РЕФЕРАТ

 

По дисциплине: «Основы синергетики»

 

 

 

На тему: «Второй закон термодинамики»

 

 

 

 

 

 

       

 

  Выполнила:  Габдельдаянова А.А.

Группа БМД-1

 

Проверил:  Шапиро С.В.

 

 

Уфа 2012

Второе начало термодинамики, устанавливает существование энтропии как функции состояния макроскопической системы и вводит понятие абсолютной термодинамической температуры. Утверждает, что все процессы, протекающие с конечной скоростью, в принципе необратимы, и дает термодинамические критерии для определения направленности процессов. Вместе с первым началом термодинамики - основа классической, или феноменологической, термодинамики, которую можно рассматривать как развитую систему следствий этих двух начал.

Существуют несколько эквивалентных формулировок второго начала термодинамики:

• Постулат Клаузиуса: «Невозможен процесс, единственным результатом которого являлась бы передача тепла от более холодного тела к более горячему» (такой процесс называется процессом Клаузиуса).

• Постулат Томсона (Кельвина): «Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара» (такой процесс называется процессом Томсона).

Эквивалентность этих формулировок легко показать. В самом деле, допустим, что постулат Клаузиуса неверен, то есть существует процесс, единственным результатом которого была бы передача тепла от более холодного тела к более горячему. Тогда возьмем два тела с различной температурой (нагреватель и холодильник) и проведем несколько циклов тепловой машины, забрав тепло  у нагревателя, отдав  холодильнику и совершив при этом работу. После этого воспользуемся процессом Клаузиуса и вернем тепло  от холодильника нагревателю. В результате получается, что мы совершили работу только за счет отъёма теплоты от нагревателя, то есть постулат Томсона тоже неверен.

С другой стороны, предположим, что неверен постулат Томсона. Тогда можно отнять часть тепла у более холодного тела и превратить в механическую работу. Эту работу можно превратить в тепло, например, с помощью трения, нагрев более горячее тело. Значит, из неверности постулата Томсона следует неверность постулата Клаузиуса.

Таким образом, постулаты Клаузиуса и Томсона эквивалентны.

Другая формулировка второго начала термодинамики основывается на понятии энтропии:

• «Энтропия изолированной системы не может уменьшаться» (закон неубывания энтропии).

Такая формулировка основывается на представлении об энтропии как о функции состояния системы, что также должно быть постулировано.

Второе начало термодинамики в аксиоматической формулировке Рудольфа Юлиуса Клаузиуса (R. J. Clausius, 1865) имеет следующий вид:

- Для любой квазиравновесной термодинамической системы существует однозначная функция термодинамического состояния , называемая энтропией, такая, что ее полный дифференциал .

В состоянии с максимальной энтропией макроскопические необратимые процессы (а процесс передачи тепла всегда является необратимым из-за постулата Клаузиуса) невозможны.

Второе начало термодинамики можно формулировать как невозможность создания вечного двигателя второго рода - устройства, в котором рабочее тело совершало бы в периодическом цикле работу, находясь в тепловом контакте с одним источником теплоты (В. Оствальд, 1888). Во всех реальных тепловых двигателях превращение теплоты в работу обязательно сопровождается передачей определенного кол-ва теплоты окружающим телам и изменением их термодинамического состояния, т.е. необратимо. Согласно второму началу термодинамики, необратимость того или иного процесса означает, что систему, в которой произошел процесс, невозможно вернуть в исходное состояние без каких-либо изменений в окружающей среде. Процессы, допускающие возвращение в исходное состояние как самой системы, так и внешней среды без каких-либо изменений в них, называются обратимыми. Обратимы лишь квазистатические процессы, представляющие собой непрерывную последовательность состояний равновесия и протекающие бесконечно медленно. Все естественные процессы, происходящие с конечными скоростями, необратимы; они протекают самопроизвольно в одном направлении. Помимо перехода теплоты в работу в циклических процессах, необратимыми являются, например, процессы выравнивания температуры (теплопроводность) или концентрации компонентов системы (диффузия), химической реакции.

Согласно наиболее общей формулировке второе начало термодинамики, бесконечно малое кол-во тепла  , переданное системе в обратимом процессе, отнесенное к абсолютной температуре Т, является полным дифференциалом функции состояния S, называется энтропией. Для обратимых процессов  dS; для необратимых  < dS. Для любых процессов (обратимых и необратимых) В. н.т. может быть обобщено записью dS  . В изолированных (замкнутых) системах  и dS  0, т.е. возможны лишь процессы, сопровождающиеся увеличением энтропии (закон возрастания энтропии). В состоянии равновесия энтропия изолированной системы достигает максимума и никакие макроскопические процессы в такой системе невозможны.

Первое начало термодинамики, представляющее собой закон сохранения энергии для систем, в которых происходят тепловые и механические процессы, не позволяет судить об эволюции термодинамической системы. Значение второго начала термодинамики состоит в том, что оно позволяет выделить фактически возможные в системе процессы из всех допускаемых первым началом и определить состояние термодинамического равновесия системы, в котором никакие макроскопические процессы без изменения внешних условий невозможны. Сочетание второго начала термодинамики в форме  TdS с первым началом dU —  приводит в общем случае необратимых процессов к неравенству: dU  . Это неравенство позволяет устанавливать направление протекания самопроизвольных (необратимых) процессов в закрытых системах и критерии равновесия при постоянных значениях любой из пар параметров состояния. Т, р; Т, V; S, р; S, V. Так, в системах, находящихся при постоянных Т и р, процессы самопроизвольно идут в направлении убыли энергии Гиббса G = U + pV— TS, а в состоянии равновесия энергия Гиббса достигает минимума. Это относится, в частности, к хим. реакциям, растворению, изменениям агрегатного состояния и другим. превращениям веществ. Последовательное применение второго начала термодинамики к неравновесным системам и протекающим в них необратимым процессам составляет содержание термодинамики необратимых процессов.

Статистическая физика связывает энтропию с вероятностью осуществления данного макроскопического состояния системы. Для системы из N частиц, обладающей энергией E, энтропия определяется как логарифм статистического веса  данного равновесного состояния:  , т.е. числа квантовых состояний в узком интервале  вблизи значения Е (k-постоянная Больцмана). Возрастание энтропии изолированной системы обусловлено ее переходом из менее вероятного в более вероятное состояние. Иными словами, эволюция такой системы осуществляется в направлении наиб. вероятного распределения энергии по отдельным частицам или подсистемам (см. Статистическая термодинамика). Однако вследствие флуктуации, обусловленных хаотичным движением образующих систему частиц, возможен переход системы из более вероятного в менее вероятное состояние; при этом энтропия системы уменьшается. Наличие флуктуации приводит к тому, что закон возрастания энтропии выполняется только в среднем для достаточно большого промежутка времени.

Само название «второго начала термодинамики» и исторически первая его формулировка (1850) принадлежат Р. Клаузиусу; последующие формулировки связаны с именами У. Томсона, В. Оствальда, С. Карно, Л. Больцмана. Буквальное применение второго начала термодинамики к Вселенной как целому привело Р. Клаузиуса к ошибочному выводу о неизбежности "тепловой смерти" Вселенной после достижения ею максимума энтропии.

Клаузиус, рассматривая второе начало термодинамики, пришёл к выводу, что энтропия Вселенной как замкнутой системы стремится к максимуму, и в конце концов во Вселенной закончатся все макроскопические процессы. Это состояние Вселенной получило название «тепловой смерти». С другой стороны, Больцман высказал мнение, что нынешнее состояние Вселенной — это гигантская флуктуация, из чего следует, что большую часть времени Вселенная все равно пребывает в состоянии термодинамического равновесия («тепловой смерти»).

По мнению Ландау, ключ к разрешению этого противоречия лежит в области общей теории относительности: поскольку Вселенная является системой, находящейся в переменном гравитационном поле, закон возрастания энтропии к ней неприменим.

Поскольку второе начало термодинамики (в формулировке Клаузиуса) основано на предположении о том, что вселенная является замкнутой системой, возможны и другие виды критики этого закона. В соответствии с современными физическими представлениями мы можем говорить лишь о наблюдаемой части вселенной. На данном этапе человечество не имеет возможности доказать ни то, что вселенная есть замкнутая система, ни обратное.