Entrópia. A termodinamika második főtétele

Spontán folyamatok. A természetben a fizikai és kémiai átalakulások egy bizonyos irányban mennek végbe. Így két test at különböző hőmérsékletek, érintkezik, hőenergia melegebb testről hidegebbre kerül át, amíg e két test hőmérséklete egyenlő nem lesz. Amikor horganylemezt merítünk sósav alakult ZnCl2És H2. Mindezek az átalakulások spontán (spontán). Spontán folyamat nem jöhet létre benne ellentétes irányéppoly spontán, mint közvetlenül.

A kémiában fontos ismerni azokat a kritériumokat, amelyek alapján megjósolható, hogy egy kémiai reakció spontán létrejöhet-e, és ha igen, akkor meg kell tudni határozni a keletkező termékek mennyiségét. A termodinamika első főtétele nem ad ilyen kritériumot. A reakció termikus hatása nem határozza meg a folyamat irányát. Mind az exoterm, mind az endoterm reakciók létrejöhetnek spontán módon. Így például spontán módon folyamatban van a folyamat az ammónium-nitrát feloldása NH 4 NO 3 (k) vízben, bár ennek a folyamatnak a termikus hatása pozitív: > 0 (endoterm folyamat); ugyanez mondható el a nátrium-hiposzulfit vízben való feloldásáról. És egy másik példában lehetetlen megvalósítani T = 298 KÉs p = 101 kPa (1 atm) szintézis n. heptán C 7 H 16 (sz), annak ellenére, hogy a standard képződéshő negatív:< 0 (процесс экзотермический).

Így a reakció entalpiáinak különbsége még nem határozza meg adott konkrét körülmények között bekövetkezésének lehetőségét.

A termodinamika második főtétele. A folyamat spontán bekövetkezésének kritériumát izolált rendszerekben a termodinamika második főtétele adja meg.

A termodinamika második főtétele lehetővé teszi, hogy az első törvény által megengedett összes folyamatot spontán és nem spontán folyamatokra ossza fel.

A termodinamika második főtétele az posztulátum az emberiség által felhalmozott hatalmas tapasztalatok indokolják. Különböző ekvivalens megfogalmazásokban van kifejezve:

1. Clausius (1850) posztulátuma szerint a hő nem tud magától átadni egy kevésbé fűtött testről egy melegebbre. Azt állítják, hogy a hővezetési folyamat visszafordíthatatlan.

2. Gyorsan vagy lassan minden rendszer a valódi egyensúly állapotára törekszik.

3. Lehetetlen egy periodikus folyamat, amelynek egyetlen eredménye a hő munkává alakulása - a Kelvin-Planck készítmény.

4. A hő csak hőmérséklet-különbség jelenlétében alakítható munkává, és nem teljesen, hanem bizonyos hőtényezővel hasznos akció:

Ahol η - termikus hatásfok; A- a rendszerbe a magas hőmérsékletű testből történő hőátadás miatt kapott munka ( T 1) alacsony hőmérsékletű testre ( T 2); Q 1– hőmérséklettel felmelegedett testből vett hő T 1; Q 2– hideg testnek adott hő hőmérséklettel T 2. Azok. bármely folyamat potenciálkülönbség hatására megy végbe, ami termikus folyamatoknál hőmérsékletkülönbség, elektromos folyamatoknál potenciálkülönbség, mechanikai folyamatoknál magasságkülönbség stb. A közös jellemző a viszonylag alacsony hatásfok. A hatékonysági érték akkor válik egységgé, ha T 2 → 0, de az abszolút nulla elérhetetlen (a termodinamika harmadik főtétele), ezért a felhevült test teljes energiája T 1 nem váltható munkává. Azok. A munkavégzés során a rendszer teljes energiájának egy része kihasználatlanul marad.

Az entrópia fogalma. A hatékonyság kifejezésének vizsgálata hőmotor, Clausius egy új termodinamikai függvényt vezetett be, amelyet entrópiának nevezett. S.

Az ideális hőgép működését (Carnot-ciklus) egy fizika tantárgy részletesen tárgyalja.

A termodinamika második főtételének matematikai kifejezéséből az következik:

vagy

Differenciált formában:

A hőmotor teljes ciklusa során bekövetkezett változásokat összegezve megkapjuk a kifejezést Ahol dQ- hőemelkedés, T– megfelelő hőmérséklet; - zárt hurkú integrál.

Clausius az integrandus kifejezést egy új függvény növekményének vette S – entrópia:

vagy

Az entrópia a rendszerállapot-paraméterek függvénye (p, V, T)és fel tudja mérni a folyamat irányát egy egyensúlyba hajló rendszerben, mert egyensúlyi folyamat esetén a változása nulla; vagy .

Irreverzibilis átalakulás esetén, pl. spontán folyamat, amely állandó hőmérsékleten megy végbe, van

Ha a folyamat spontán módon megy végbe, akkor az entrópia változása pozitív:

Izolált rendszerekre, olyan folyamatokra, amelyeknél az entrópia változása < 0 , tilos.

Ha az univerzumot izolált rendszernek választjuk, akkor a termodinamika második főtétele a következőképpen fogalmazható meg:

Létezik egy entrópiának nevezett S függvény, amely olyan állapotfüggvény, hogy

Reverzibilis folyamat esetén az univerzum entrópiája állandó, de irreverzibilis folyamat esetén növekszik. Az univerzum entrópiája nem csökkenhet."

Az entrópia statisztikai értelmezése. Egy bizonyos tömegű anyag állapotának jellemzésére, amely nagyon nagy számú molekula gyűjteménye, megadhatja a rendszer állapotának paramétereit, és így jellemezheti a rendszer makroállapotát; de megadhatja az egyes molekulák pillanatnyi koordinátáit (x i , y i , z i)és a mozgás sebessége mindhárom irányban Vx i, Vy i, Vz i, azaz jellemezze a rendszer mikroállapotát. Minden makroállapot hatalmas számú mikroállapothoz kapcsolódik. A makroszkopikus állapotnak megfelelő mikroállapotok számát az állapotparaméterek pontos értékei határozzák meg, és a W- a rendszerállapot termodinamikai valószínűsége.

Egy mindössze 10 gázmolekulából álló rendszer állapotának termodinamikai valószínűsége megközelítőleg 1000, de csak 1 cm 3 gáz tartalmaz 2,7 ∙ 10 19 molekulát (n.s.). Ezért a termodinamikában nem használják a mennyiséget W, és logaritmusa lnW. Ez utóbbinak dimenziót lehet adni (J/K), megszorozva a Boltzmann-állandóval NAK NEK:

W, Ahol =1,38 10 -23 J/K,

Ahol N A– Avogadro száma

Méret S hívott entrópia rendszerek. Az entrópia a rendszer állapotának termodinamikai függvénye.

Ha egy elszigetelt rendszer makroszkopikus állapotban van 1 , megfelelő W 1 mikroszkopikus állapotok és ha tud makroszkópos állapotba kerülni 2 , amelynek mikroszkopikus állapotainak száma W 2, akkor a rendszer hajlamos lesz az állapotba kerülni 2 feltéve, hogy W 2 > W 1

A rendszer spontán módon olyan állapotba kerül, amely mikroszkopikus léptékben a legjobbnak felel meg nagyobb számban megvalósítási lehetőségek.

Például, amikor egy ideális gáz kitágul az üres térbe, a végső állapot (a kezdeti állapothoz képest nagyobb térfogattal) sokkal több mikroállapotot tartalmaz, egyszerűen azért, mert a molekulák több pozíciót tudnak felvenni a térben.

Ha egy izolált rendszerben spontán folyamat megy végbe, a mikroszkopikus állapotok száma W növekszik; ugyanez elmondható a rendszer entrópiájáról is. A mikroszkopikus állapotok számának növekedésével W a rendszer makroszkopikus állapotával összefüggésben az entrópia növekszik.

Vegyük például 1 mól víz termodinamikai állapotát ( 18 g H2O) normál körülmények között. Hadd W (w)- a rendszer állapotának termodinamikai valószínűsége. Amikor a hőmérséklet leesik 0 ºС a víz megfagy és jéggé alakul; ebben az esetben úgy tűnik, hogy a vízmolekulák a csomópontokban rögzülnek kristályrácsés a rendszerállapot termodinamikai valószínűsége csökken; W(k)< W (ж). Ennek következtében a rendszer entrópiája is csökken: (Nak nek)< (ж). Éppen ellenkezőleg, amikor a hőmérséklet emelkedik 100°C a víz felforr és gőzzé alakul; ebben az esetben a rendszer állapotának termodinamikai valószínűsége nő: W (g) > W (w) ezért a rendszer entrópiája is növekszik:

(d) > (g).

Az entrópia tehát a rendszer rendezetlen állapotának mértéke. Valójában az egyetlen mikroszkopikus állapot ( W=1) teljes sorrendnek és nulla entrópiának fog megfelelni, azaz. az egyes részecskék helyzete, sebessége és energiája ismert, és ezek a mikroszkopikus jellemzők idővel állandóak maradnak.

A termodinamika második főtétele a következőképpen fogalmazható meg:

Egy elszigetelt rendszer a legvalószínűbb állapot elérésére törekszik, azaz. a legnagyobb számú mikroszkopikus állapotnak megfelelő makroszkópikus állapot.

Izolált rendszerekben csak azok a folyamatok mennek végbe spontán módon, amelyek a rendszer entrópiájának növekedésével járnak: Δ S > 0 (Δ S = S 2 – S 1).

Az ideális kristályok formájában létező tiszta anyagok entrópiája abszolút nulla hőmérsékleten nulla. Ez azt jelenti, hogy abszolút nullánál teljes sorrend érhető el.

A termodinamika első főtételének egyszerű megfogalmazása valahogy így hangozhat: egy adott rendszer belső energiájának változása csak külső hatás hatására lehetséges. Vagyis ahhoz, hogy a rendszerben valamilyen változás történjen, kívülről kell bizonyos erőfeszítéseket tenni. BAN BEN népi bölcsesség A közmondások a termodinamika első törvényének egyedi kifejezéseként szolgálhatnak: „a víz nem folyik a fekvő kő alatt”, „nem lehet nehézség nélkül kihúzni egy halat a tóból” stb. Vagyis a halról és a munkáról szóló közmondás példáján el lehet képzelni, hogy a hal feltételesen a miénk zárt rendszer, semmilyen változás nem történik benne (a hal nem húzza ki magát a tóból) külső befolyásunk és közreműködésünk (munka) nélkül.

Érdekes tény: a termodinamika első törvénye határozza meg, hogy a tudósok, kutatók és feltalálók számos kísérlete az „örökmozgógép” feltalálására miért kudarcot vallott, mert e törvény szerint a létezése teljességgel lehetetlen, miért, ld. a fenti bekezdést.

Cikkünk elején a termodinamika első főtételének nagyon egyszerű meghatározása volt, valójában az akadémiai tudományban ennek a törvénynek a lényegének négy megfogalmazása létezik:

• Az energia nem jelenik meg sehonnan és nem tűnik el sehol, csak átmegy egyik típusból a másikba (az energia megmaradás törvénye).
• A rendszer által átvett hőmennyiség ellen dolgozik külső erőkés a belső energia változása.
• A rendszer belső energiájának változása az egyik állapotból a másikba való átmenet során egyenlő a külső erők munkájának és a rendszerbe átvitt hőmennyiség összegével, és nem függ attól, hogy ez az átmenet milyen módszerrel történik. végrehajtani.
• Egy nem izolált termodinamikai rendszer belső energiájának változása megegyezik a rendszernek átadott hőmennyiség és a rendszer által a külső erőkön végzett munka különbségével.

A termodinamika első főtételének képlete

A termodinamika első főtételének képlete a következőképpen írható fel:

A rendszerbe átadott Q hőmennyiség megegyezik a rendszer belső energiája ΔU változásának és az A munkája összegével.

A termodinamika első főtételének folyamatai

A termodinamika első főtételének is megvannak a maga árnyalatai a folyamatban lévő termodinamikai folyamatoktól függően, amelyek lehetnek izokronok és izobárok, és az alábbiakban mindegyiket részletesen ismertetjük.

A termodinamika első főtétele izokhorikus folyamatra

A termodinamikában az izokhorikus folyamat olyan folyamat, amely állandó térfogaton megy végbe. Vagyis ha egy anyagot egy edényben gázban vagy folyadékban hevítenek, izokhorikus folyamat megy végbe, mivel az anyag térfogata változatlan marad. Ez a feltétel a termodinamika első főtételére is hatással van, amely izokhorikus folyamat során lép fel.

Izochor folyamatban a V térfogat állandó, ezért a gáz nem végez munkát A = 0

Ebből a következő képlet adódik:

Q = ΔU = U (T2) – U (T1).

Itt U (T1) és U (T2) a gáz belső energiái a kezdeti és a végállapotban. Az ideális gáz belső energiája csak a hőmérséklettől függ (Joule törvénye). Izochor hevítés során a gáz hőt vesz fel (Q > 0), belső energiája megnő. A hűtés során a hő átadódik a külső testeknek (Q< 0).

A termodinamika első főtétele izobár folyamatokra

Hasonlóképpen az izobár folyamat egy termodinamikai folyamat, amely állandó nyomású és gáztömegű rendszerben megy végbe. Ezért be izobár folyamat(p = const) a gáz által végzett munkát a termodinamika első főtételének következő egyenlete fejezi ki:

A = p (V2 – V1) = p ΔV.

A termodinamika izobár első főtétele a következőket adja:

Q = U (T2) – U (T1) + p (V2 – V1) = ΔU + p ΔV. Q > 0 izobár tágulás esetén a gáz hőt vesz fel, és a gáz pozitív munkát végez. Izobár kompresszió alatt Q< 0 – тепло отдается внешним телам. В этом случае A < 0. Температура газа при изобарном сжатии уменьшается, T2 < T1; внутренняя энергия убывает, ΔU < 0.

A termodinamika első főtételének alkalmazása

A termodinamika első főtétele az gyakorlati használat a fizika különféle folyamataihoz, például lehetővé teszi az ideális gázparaméterek kiszámítását különféle termikus és mechanikai folyamatok. A pusztán gyakorlati alkalmazás mellett ez a törvény filozófiailag is használható, mert bármit is mond, a termodinamika első főtétele az egyik legkifejezőbb. általános törvények természet - az energia megmaradásának törvénye. A Prédikátor azt is írta, hogy semmi sem jön sehonnan és nem megy sehova, minden örökre megmarad, állandóan átalakul, ez a termodinamika első főtételének egész lényege.

A termodinamika első törvénye, videó

Cikkünk végén pedig egy oktatóvideót mutatunk be a termodinamika és a belső energia első törvényéről.

A termodinamika törvényeit elveinek is nevezik. Valójában a termodinamika kezdete nem más, mint bizonyos posztulátumok halmaza, amelyek a molekuláris fizika megfelelő szakaszának hátterében állnak. Ezeket a rendelkezéseket a tudományos kutatás során állapították meg. Ugyanakkor kísérletileg is bebizonyosodtak. Miért fogadják el posztulátumként a termodinamika törvényeit? A lényeg az, hogy így a termodinamika axiomatikus módon felépíthető.

A termodinamika alaptörvényei

Egy kicsit a strukturálásról. A termodinamika törvényei négy csoportra oszthatók, amelyek mindegyikének sajátos jelentése van. Tehát mit üzennek nekünk a termodinamika alapelvei?

Első és második

Az első kezdet megmondja, hogyan alkalmazzák az energiamegmaradás törvényét egy adott termodinamikai rendszerrel kapcsolatban. A második törvény bizonyos korlátozásokat fogalmaz meg a termodinamikai folyamatok irányaira vonatkozóan. Pontosabban, tiltják a hő spontán átadását egy kevésbé fűtött testről egy melegebbre. A termodinamika második főtétele alternatív név: a növekvő entrópia törvénye.

Harmadik és negyedik

A harmadik törvény az entrópia viselkedését írja le az abszolút nulla hőmérséklet közelében. Van még egy kezdet, az utolsó. Ezt a „termodinamika nulladik törvényének” hívják. Jelentése az, hogy bármely zárt rendszer termodinamikai egyensúlyi állapotba kerül, és többé nem lesz képes magától kilépni belőle. Sőt, a kezdeti állapota bármilyen lehet.

Miért van szükség a termodinamika alapelveire?

A termodinamika törvényszerűségeit tanulmányozták bizonyos rendszerek makroszkopikus paramétereinek leírására. A mikroszkópos eszközzel kapcsolatban ugyanakkor konkrét javaslatokat nem terjesztenek elő. Ezt a kérdést külön tanulmányozza, de egy másik tudományág - a statisztikai fizika. A termodinamika törvényei függetlenek egymástól. Mit jelenthet ez? Ezt úgy kell érteni, hogy lehetetlen a termodinamika egyik elvét a másikból levezetni.

A termodinamika első főtétele

Mint ismeretes, a termodinamikai rendszert számos paraméter jellemzi, beleértve a belső energiát (U betűvel jelöljük). Ez utóbbi abból alakul ki kinetikus energia, amivel minden részecske rendelkezik. Ez lehet a transzlációs, valamint az oszcilláló és forgó mozgás energiája. Ezen a ponton emlékezzünk arra, hogy az energia nemcsak kinetikus, hanem potenciális is lehet. Ideális gázok esetén tehát a potenciális energiát figyelmen kívül hagyjuk. Ezért az U belső energia kizárólag a molekulamozgás kinetikai energiájából fog állni, és a hőmérséklettől függ.

Ezt a mennyiséget - belső energiát - nevezzük más szóval állapotfüggvénynek, mivel azt a termodinamikai rendszer állapota határozza meg. Esetünkben a gáz hőmérséklete határozza meg. Meg kell jegyezni, hogy a belső energia nem attól függ, hogy milyen volt az állapotba való átmenet. Tételezzük fel, hogy a termodinamikai rendszer egy körkörös folyamaton megy keresztül (ciklus, ahogy nevezik molekuláris fizika). Más szóval, a rendszer, miután elhagyta a kezdeti állapotot, bizonyos folyamatokon megy keresztül, de ennek eredményeként visszatér az elsődleges állapotba. Ekkor nem nehéz kitalálni, hogy a belső energia változása 0 lesz.

Hogyan változik a belső energia?

Az ideális gáz belső energiáját kétféleképpen lehet megváltoztatni. Az első lehetőség a munka elvégzése. A második a rendszer bizonyos mennyiségű hő biztosítása. Logikus, hogy a második módszer nemcsak a hő leadását, hanem annak eltávolítását is magában foglalja.

A termodinamika első főtételének állítása

Lehet több is belőlük (megfogalmazás), hiszen mindenki máshogy szeret beszélni. De valójában a lényeg ugyanaz marad. Ez abból adódik, hogy a termodinamikai rendszerbe juttatott hőmennyiséget az ideális gáz előállítására fordítják gépészeti munkaés a belső energia változása. Ha a termodinamika első főtételének képletéről vagy matematikai jelöléséről beszélünk, az így néz ki: dQ = dU + dA.

A képlet részét képező összes mennyiség rendelkezhet különböző jelek. Semmi sem akadályozza meg őket abban, hogy negatívak legyenek. Tegyük fel, hogy Q mennyiségű hőt juttatunk a rendszerbe, ekkor a gáz felmelegszik. A hőmérséklet emelkedik, ami azt jelenti, hogy a gáz belső energiája is nő. Vagyis Q-nak és U-nak is meglesz pozitív értékeket. De ha a gáz belső energiája növekszik, akkor aktívabban kezd viselkedni és terjeszkedni. Ezért a munka is pozitív lesz. Azt mondhatjuk, hogy a munkát maga a rendszer, a gáz végzi.

Ha bizonyos mennyiségű hőt vesznek el a rendszerből, a belső energia csökken, és a gáz összehúzódik. Ebben az esetben már azt mondhatjuk, hogy a munkát a rendszeren végzik, és nem maga a rendszer. Tegyük fel ismét, hogy egy termodinamikai rendszer cikluson megy keresztül. Ebben az esetben (ahogy korábban említettük) a belső energia változása 0 lesz. Ez azt jelenti, hogy a gáz által vagy a gázon végzett munka számszerűen megegyezik a rendszerbe szállított vagy elvezetett hővel.

Ennek a következménynek a matematikai jelölését a termodinamika első főtételének egy másik megfogalmazásának nevezzük. Ez nagyjából így hangzik: "A természetben lehetetlen, hogy létezzen első típusú motor, vagyis olyan motor, amely a kívülről érkező hőt meghaladó munkát végezne."

A termodinamika második főtétele

Nem nehéz kitalálni, hogy a termodinamikai egyensúly egy olyan rendszerre jellemző, amelyben a makroszkopikus mennyiségek idővel változatlanok maradnak. Ez természetesen a gáz nyomása, térfogata és hőmérséklete. Változatlanságuk több feltételen is alapulhat: a hővezető képesség hiánya, kémiai reakciók, diffúziós és egyéb folyamatok. Ha befolyás alatt áll külső tényezők a rendszer kikerült a termodinamikai egyensúlyból, idővel vissza fog térni abba. De ha ezek a tényezők hiányoznak. És ez spontán módon fog megtörténni.

Kicsit más utat fogunk követni, másképp, mint amit sok tankönyv ajánl. Először is ismerkedjünk meg a termodinamika második főtételével, és csak ezután fogjuk kitalálni, hogy milyen mennyiségek szerepelnek benne, és mit jelentenek. Tehát egy zárt rendszerben, bármilyen folyamat jelenlétében, az entrópia nem csökken. A termodinamika második főtétele a következőképpen írható le: dS >(=) 0. Itt a > jel egy irreverzibilis folyamathoz, a = jel pedig egy reverzibilis folyamathoz lesz társítva.

Mit nevezünk reverzibilis folyamatnak a termodinamikában? Ez pedig egy olyan folyamat, amelyben a rendszer (folyamatok sorozata után) visszatér eredeti állapotába. Ráadásul ebben az esetben sem a rendszerben, sem a környezetben nem maradnak változások. Más szóval, a reverzibilis folyamat olyan folyamat, amelynél a közvetlen folyamattal azonos köztes állapotokon keresztül vissza lehet térni a kiindulási állapotba. A molekuláris fizikában nagyon kevés ilyen folyamat létezik. Például visszafordíthatatlan lesz a hő átadása egy melegebb testről egy kevésbé fűtöttre. Ugyanez vonatkozik két anyag diffúziójára, valamint a gáz teljes térfogatra terjedésére.

Entrópia

Az entrópia, amely a termodinamika második főtételében fordul elő, egyenlő a hőváltozás és a hőmérséklet osztva. Képlet: dS = dQ/T. Vannak bizonyos tulajdonságai.

Mint ismeretes, a termodinamika első főtétele a termodinamikai folyamatok energiamaradásának törvényét tükrözi, de nem ad képet a folyamatok irányáról. Ezenkívül számos termodinamikai folyamatot találhat ki, amelyek nem mondanak ellent az első törvénynek, de a valóságban ilyen folyamatok nem léteznek. A termodinamika második törvényének (törvényének) létezését egy adott folyamat lehetőségének megállapításának szükségessége okozza. Ez a törvény határozza meg a termodinamikai folyamatok áramlási irányát. A termodinamika második főtételének megfogalmazásakor az entrópia és a Clausius-egyenlőtlenség fogalmát használják. Ebben az esetben a termodinamika második főtétele egy zárt rendszer entrópiája növekedésének törvényeként fogalmazódik meg, ha a folyamat visszafordíthatatlan.

A termodinamika második főtételének állításai

Ha egy folyamat zárt rendszerben megy végbe, akkor ennek a rendszernek az entrópiája nem csökken. Képlet formájában a termodinamika második főtétele a következőképpen van felírva:

ahol S jelentése entrópia; L az az út, amelyen a rendszer egyik állapotból a másikba mozog.

A termodinamika második főtételének ennél a megfogalmazásánál figyelni kell arra, hogy a vizsgált rendszert zárni kell. Nyílt rendszerben az entrópia bármilyen módon viselkedhet (csökkenhet, növekedhet vagy állandó maradhat). Vegye figyelembe, hogy az entrópia nem változik egy zárt rendszerben a reverzibilis folyamatok során.

Az entrópia növekedése zárt rendszerben irreverzibilis folyamatok során a termodinamikai rendszer átmenete kisebb valószínűségű állapotokból nagyobb valószínűségű állapotokba. A híres Boltzmann-képlet a termodinamika második főtételének statisztikai értelmezését adja:

ahol k a Boltzmann-állandó; w - termodinamikai valószínűség (az a szám, ahogyan a vizsgált rendszer makroállapota megvalósítható). Így a termodinamika második főtétele egy statisztikai törvény, amely a termodinamikai rendszert alkotó molekulák termikus (kaotikus) mozgásának mintázatainak leírásához kapcsolódik.

A termodinamika második főtételének egyéb megfogalmazásai

A termodinamika második főtételének számos más megfogalmazása is létezik:

1) Kelvin-féle megfogalmazás: Lehetetlen olyan körkörös folyamatot létrehozni, aminek az eredménye kizárólag a fűtőberendezésből kapott hő munkává alakulása lesz. A termodinamika második főtételének ebből a megfogalmazásából arra a következtetésre jutottak, hogy lehetetlen a második típusú örökmozgót létrehozni. Ez azt jelenti, hogy időszakosan fellép hőerőgép fűtőberendezéssel, munkafolyadékkal és hűtővel kell rendelkeznie. Ebben az esetben az ideális hőmotor hatásfoka nem lehet nagyobb, mint a Carnot-ciklus hatásfoka:

hol van a fűtés hőmérséklete; - hűtőszekrény hőmérséklete; ( title="Rendered by QuickLaTeX.com" height="15" width="65" style="vertical-align: -3px;">).!}

2) Clausius megfogalmazása: Lehetetlen olyan körkörös folyamatot létrehozni, amelynek eredményeként egy alacsonyabb hőmérsékletű testből csak hő kerül a magasabb hőmérsékletű testbe.

A termodinamika második főtétele az energiaátadás két formája (munka és hő) közötti lényeges különbséget jelzi. Ebből a törvényből következik, hogy a test egészének rendezett mozgásának átmenete a test molekuláinak kaotikus mozgásába, ill. külső környezet- visszafordíthatatlan folyamat. Ebben az esetben a rendezett mozgás további (kompenzációs) folyamatok nélkül kaotikussá válhat. Míg a rendezetlen mozgásból a rendezett mozgásba való átmenetet kompenzáló folyamatnak kell kísérnie.

Példák problémamegoldásra

1. PÉLDA

2. PÉLDA

A termodinamika második főtétele az elsőhöz hasonlóan évszázados emberi tapasztalattal alátámasztott posztulátum. Ennek a törvénynek a felfedezését a hőgépek tanulmányozása segítette elő. francia tudós S. Carnot elsőként mutatta be (1824), hogy minden hőgépnek tartalmaznia kell a hőforráson (fűtőberendezésen) és a termodinamikai ciklust végző munkafolyadékon (gőz, ideális gáz stb.) kívül egy hűtőszekrényt is, amelynek rendelkeznie kell hőmérséklet alacsonyabb, mint a fűtőelem hőmérséklete.

Hatékonyság η egy ilyen hőmotor megfordítható cikluson működik ( Carnot ciklus), nem függ a ciklust végrehajtó munkaközeg természetétől, hanem csak a fűtőelem hőmérséklete határozza meg T 1 és hűtőszekrény T 2:

Ahol K 1 – a hőmérsékleten a munkaközegnek átadott hőmennyiség T 1 a fűtőberendezésből; K 2 – a munkaközeg által hőmérsékleten leadott hőmennyiség T 2 hűtőszekrény.

A termodinamika második főtétele a Carnot-féle levezetés általánosítása a természetben előforduló tetszőleges termodinamikai folyamatokra. Ennek a törvénynek számos megfogalmazása ismert.

Clausius(1850) fogalmazott termodinamika második főtételeÍgy: lehetetlen olyan folyamat, amelyben a hő spontán módon átjutna a hidegebb testekről a forróbb testekre.

W. Thomson (Kelvin)(1851) a következő megfogalmazást javasolta: Lehetetlen időszakosan működő gépet építeni, amelynek teljes tevékenysége a mechanikai munka elvégzésére és a tározó megfelelő hűtésére korlátozódna.

Thomson posztulátuma a következőképpen fogalmazható meg: a második típusú örökmozgó lehetetlen. A második típusú örökmozgó olyan eszköz, amely kompenzáció nélkül időszakosan teljesen munkává alakítja át a test hőjét (W. Ostwald). Alatt kártérítés megérteni a munkafolyadék halmazállapotának változását vagy a hő egy részének átadását a munkaközegből más testekbe, és e testek termodinamikai állapotának változását a hő munkává alakításának körkörös folyamata során.

A termodinamika második főtétele kimondja, hogy kompenzáció nélkül egy körfolyamatban egyetlen joule hőt sem lehet munkává alakítani. A munka kompenzáció nélkül teljesen hővé válik. Ez utóbbi, amint azt korábban megjegyeztük, az energialeadás (amortizáció) spontán folyamatához kapcsolódik.

A termodinamika második főtétele bevezeti a rendszer állapotfüggvényét, amely kvantitatívan jellemzi az energia disszipáció folyamatát.. Ebben az értelemben a termodinamika második főtételének fenti megfogalmazásai ekvivalensek, mivel magukban foglalják a létezést a rendszer állapotának függvényei – entrópia.

Jelenleg termodinamika második főtétele a következőképpen van megfogalmazva: van egy additív függvénye a rendszer állapotának S - entrópia, amely a következőképpen kapcsolódik a rendszerbe belépő hőhöz és a rendszer hőmérsékletéhez:

Mert megfordítható folyamatok; (3.2)

Mert visszafordíthatatlan folyamatokat. (3.3)

És így, egy adiabatikusan izolált rendszerben reverzibilis folyamatok során az entrópiája nem változik (dS = 0), visszafordíthatatlan folyamatok során pedig fokozódik (dS > 0).

A belső energiával ellentétben egy elszigetelt rendszer entrópiájának értéke a benne zajló folyamatok természetétől függ: A relaxáció során egy elszigetelt rendszer entrópiája növekedjen, elérje maximális érték egyensúlyban.

BAN BEN Általános nézet A termodinamika második főtétele izolált rendszerreígy van írva:

Egy elszigetelt rendszer entrópiája vagy növekszik, ha spontán irreverzibilis folyamatok mennek végbe benne, vagy állandó marad. Ezért a termodinamika második főtételét is úgy definiáljuk a nem csökkenő entrópia törvénye izolált rendszerekben.

Így a termodinamika második főtétele adja az elszigetelt rendszer spontán folyamatainak kritériuma. Csak az entrópia növekedésével járó folyamatok fordulhatnak elő spontán egy ilyen rendszerben. A spontán folyamatok a rendszerben az egyensúly megteremtésével érnek véget. Ez azt jelenti, hogy egyensúlyi állapotban egy elszigetelt rendszer entrópiája maximális. Ennek megfelelően az egyensúly kritériuma egy elszigetelt rendszerben az lesz

Ha részt vesz a folyamatban nem izolált rendszer, Azt a folyamat irreverzibilitásának (spontaneitásának) felméréséhez ismerni kell a dS rendszer entrópiájának változását 1 és entrópiaváltozás környezet dS 2. Ha ezt elfogadjuk rendszer és környezet(gyakran "univerzumnak" nevezik őket) elszigetelt rendszert alkotnak, akkor a folyamat visszafordíthatatlanságának feltétele az lesz

vagyis a folyamat visszafordíthatatlan, ha a rendszer és a környezet entrópiájának teljes változása nagyobb, mint nulla.

A környezet hatalmas víztározó; térfogata és hőmérséklete nem változik a rendszerrel történő hőcsere során. Ezért a környezet szempontjából egyenlőségjelet tehetünk δQ = dUés nem mindegy, hogy a hőátadás reverzibilisen vagy visszafordíthatatlanul történik, hiszen δQ arr, és δQ nagyjából egyenlő dU környezet. És így, a környezet entrópiájának változása mindig egyenlő.