Второе начало термодинамики. Энтропия

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. 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".