Техническая термодинамика: Учебное пособие (Главы 1-7: Техническая термодинамика. Основные понятия и определения. Смеси идеальных газов), страница 9

Физическая сущность закона раскрывается в формулировке, предложенной Больцманом: системы стремятся от состояний менее вероятных, к состояниям боле вероятным.

Так любая изолированная система придет к состоянию термодинамического равновесия. При D T и изоляции системы через некоторое tвсе элементы термодинамической системы будут иметь одинаковую Т.

В 1950 г. Клаузиусом была предложена формулировка второго закона термодинамики.

Теплота самопроизвольно переходит только от тел, имеющих большую температуру к телам, имеющим более низкую температуру и не может самостоятельно переходить в обратном направлении.

3.2.  Особенности неравновестных явлений

Рассмотрим теплоизолированную систему, находящегося в механическом  взаимодействии с окружающей средой: газ, заключенный в адиабатном цилиндре под поршнем.

Подвергая газ сжатию, увеличиваем внутреннюю энергию системы на величину затраченной работы: du = TdS + pdu.

Рассматривая равновесный и неравновесный процессы ( нрв  и рв),  приходим к выводу, что  duнрв > duрв или D u > 0.

Считаем, что в адиабатной системе газ имеет две степени свободы: деформационную и тепловую. Если крайние объемы в неравновесных и равновесных процессах одинаковы, то различие во внутренней энергии обусловлено различием энтропии: dSнрв > dSрв . DS > 0.

Вывод: Энтропия газа при сжатии возрасла, хотя подвода теплоты извне не было.

Тот же эффект получается и при расширении газа в равновесных и неравновесных процессах: при неравновесном расширении газ производит меньшую работу, чем при равновесном. Следовательно его внутренняя энергия притом же объеме : Vрв = Vнрв будет больше. Следовательно DS > 0, при dQ = 0.

Вывод: 1 В результате реальных процессов несмотря на условие dQ = 0, имеет место увеличение энтропии.

2 При прочих равных условиях возрастание S будет тем выше, чем быстрее развивается процесс. Однако средствами и методами термодинамики невозможно установить количественный рост S.

В реальных процессах может быть справедливо только неравенство:

dS >dQ / Te .                                                                     (3.1)

Возрастание энтропии системы может служить мерой неравновесности ( необратимости ) реальных процессов.

(3.1) - в общем виде представляет собой второе начало ( закон) термодинамики.

Для равновесных процессов неравенство ( 3.1) превращается в равенство и индекс у температуры не имеет смысла: Тi = Te.

Объединенное выражение первого и второго законов термодинамики имеет вид:

TdS ³ du + pdu                                                                (3.2)

Таким образом второму началу термодинамики можно дать и такую интерпритацию.

Каким бы воздействиям не подвергалась термодинамическая система, в ней возникают такие внутренние процессы ( наряду с изменениями  других координат ), как если бы извне подводилось определенное количество теплоты ( dQ). В энергетическом плане такой эффект не противоречит закону сохранения энергии, так как она при любых обстоятельствах изменяется в точности на величину подведенной к системе dQ и dL. Однако часть энергии становится качественно иной: она теряет работоспособность. Следовательно обратный полный переход всей приобретенной системой энергии во внешнюю работу становится невозможным.

Для изолированной системы энтропия в равновесном состоянии   ( из 3.1)  будет максимальной, когда в системе не остается разности температур. Следовательно второй завон термодинамики может быть сформулирован так: энтропия всякой изолированной системы стремится к максимуму.

3.3. Статистический характер второго завона

       термодинамики

В конце XIX века ученые ( Максвелл, Больцман, Гибсс и другие ) доказали, что второй закон термодинамики имеет значение только для макропроцессов и не применим для микромера.

Больцман дал статистическое толкование этого закона ( как положил начало статистической физики ).