Второй закон термодинамики

Все процессы в природе происходят с сохранением энергии. Об этом говорит первый закон термодинамики. При этом энергия может изменять форму и передаваться между телами. Направление передачи энергии задается вторым законом термодинамики (иногда его называют вторым законом термодинамики). Кратко рассмотрим его сущность.

Направление потоков энергии

Изучая процессы передачи энергии между телами, можно заметить, что энергия всегда передается от тела с большей энергией к телу с меньшей энергией. Нагретое тело при соприкосновении согревает холодное, а само охлаждается. Внутри одного и того же тела энергия также распространяется из областей с более высокой температурой в области с более низкой температурой.

Рис. 1. Виды теплопередачи.

В то же время Первый закон термодинамики вовсе не запрещает обратные процессы. Холодное тело, температура которого выше абсолютного нуля, имеет некоторую внутреннюю энергию, а значит, эту энергию можно передать телу с более высокой температурой, нарушения Первого Закона не будет.

Однако опыт показывает, что такие процессы в природе не происходят. Следовательно, существует закон, определяющий направление передачи энергии. Этот закон называется вторым законом (принципом) термодинамики.

Второй Закон термодинамики

Второй закон термодинамики был сформулирован в работах физика Р. Клаузиуса. Он дал следующее определение:

Невозможно передать теплоту от более холодной системы к более горячей без других изменений в обеих системах или окружающих телах.

Наблюдение «без других изменений» необходимо. В нем говорится, что передача тепла от более холодного тела к более горячему все же возможна, но при этом необходимо затратить дополнительную энергию.

Второй закон термодинамики применим к любому процессу, при котором изменяется внутренняя энергия тел. Этому закону подчиняется и превращение механической энергии в теплоту. Обратный процесс, когда внутренняя энергия тела превращается в механическую, возможен только с затратой дополнительной энергии.

Обратимые и необратимые процессы

Следствием Второго Закона термодинамики является необратимость всех процессов в Природе.

Обратимый процесс – это процесс, который может протекать в прямом и обратном направлениях, проходя через одни и те же промежуточные состояния без изменения окружающих тел. Процесс, который может самопроизвольно протекать только в одном направлении, а для протекания в противоположном направлении необходимо внешнее воздействие, называется необратимым.

Так как практически во всех процессах Природы происходит изменение внутренней энергии, то все они необратимы. Они обратимы только с определенной степенью точности. Например, процесс качания маятника можно считать обратимым: колебания груза вперед и назад почти полностью зеркальны.

Рис. 2. Необратимые процессы в термодинамике.

Энтропия системы

Действие второго закона термодинамики объясняется его статистической природой. Теплота тела характеризует среднюю энергию большого числа его молекул. Среди этих молекул могут быть как более энергичные, так и менее энергичные.

Но для того, чтобы одна часть тела нагрелась, а другая остыла, необходимо, чтобы все более и более энергичные молекулы оказывались в одной части, а все менее энергичные — в другой. Из-за большого количества молекул в веществе вероятность такого события можно считать нулевой. Любое направленное движение есть упорядоченное движение всех молекул тела. При отсутствии внешнего воздействия вероятность такого планомерного движения также равна нулю.

Поэтому, хотя отдельные движения молекул могут быть любыми, макроскопическое состояние системы всегда меняется на более вероятное, более хаотичное. Мерой хаотичности системы является особое понятие: энтропия системы S.

Рис. 3. Мерой беспорядка является энтропия.

Чем выше энтропия системы, тем более хаотично движутся ее компоненты. Все процессы в природе протекают в направлении возрастания энтропии, так как это направление наиболее вероятно.

Следовательно, если тело имеет температуру Т и ему передано количество теплоты ΔQ, то формула второго начала термодинамики будет выражаться соотношением:

∆S \geq { ∆Q \over T}