Второй закон термодинамики, энтропия. Термодинамическое и статистическое толкование энтропии

Страницы работы

Фрагмент текста работы

ЛЕКЦИЯ N 2

ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ. ЭНТРОПИЯ

ПЛАН

2.1 Понятие о самопроизвольных и несамопроизвольных процессах. Термодинамическое равновесие. 2.2 Второй закон термодинамики. 2.3 Термодинамическое и статистическое толкование энтропии. Применимость второго закона к биосистемам.

  • 2.1 Химические реакции и физико-химические процессы можно разделить на две группы:
  • самопроизвольные (спонтанные)
  • несамопроизвольные
  • (неспонтанные)

Самопроизвольные процессы протекают без сообщения системе дополнительной энер-гии из окружающей среды.

  • Самопроизвольно протекают процессы
  • Растворения
  • Диффузии
  • Осмоса
  • Расширения газа в пустоту

Пределом протекания самопроизвольных процессов является состояние термодинамического равновесия

Термодинамическое равновесие – это такое состояние системы, в котором ее термодинамические параметры (T, p, V и др.) не изменяются во времени и имеют одинаковое значение во всех точках объема системы.

Система, находя-щаяся в равно-весии не способна выполнять работу

Термодинамическое равновесие достигается только в закрытых и изолированных системах. Оно не достижимо для открытых систем из-за постоянно изменяющихся внешних условий.

Для открытых систем аналогом равновесного является стационарное состояние, обусловленное сбалансированностью потоков энергии и вещества в систему и из системы.

Стационарное состояние характеризуется длительным постоянством термодинами-ческих параметров системы и одновременной способ-ностью совершать полезную работу.

Все биосистемы, включая человеческий организм, являются открытыми стационарными систе-мами.

Для протекания несамо-произвольных процессов необходимо сообщить системе дополнительную энергию. Например, фотосинтез, протекающий под воздейст-вием УФ излучения.

Одним из фундамен-тальных свойств природы является ее ассиметрия. Ассиметрия природных процессов проявляется в их однонаправленности.

Если прямой процесс протекает самопроизвольно, то обратный является несамопроизвольным.

самопроизвольный

1

2

несамопроизвольный

Рассмотрение вопросов о характере протекания процессов выполняется в рамках второго закона термодинамики.

2.2 Второй закон термодинамики был сформулирован на основе анализа действия тепловых машин.

Тепловая машина – это устройство в котором тепловая энергия прев-ращается в механическую работу.

Схема идеальной тепловой машины

Нагреватель T1 Q1 A = Q1 – Q2 Рабочее Тело Q2 Холодильник Т2

Теоремы Карно: 1) Коэффициент полезного действия тепловой машины, не зависит от рода рабочего тела, а только от температур нагревателя и холодильника. 2) Коэффициент полезного действия тепловой машины, работающей при данных значениях температур нагревателя и холодильника, всегда меньше единицы

Уравнение Карно

А Q1 – Q2 Т1 – Т2

к.п.д. = = ≤ ,

Q1 Q1 Т1

Поскольку Т2 ≠ 0, (абсолютный нуль не достижим), то к.п.д. < 1

К.п.д. даже самых современных тепловых машин невысок: для тепловозов – 20 %, двигателей внутреннего сгорания – 30 %. К.п.д. превращения химической энергии пищи – 25 %, а к.п.д. превращения АТФ в работу мышц ~ 50 % . К.п.д. здорового сердца – 43 %.

  • Формулировки второго закона:
  • 1) Невозможно полностью превратить теплоту в работу (У.Кельвин 1851 ).

2) Невозможен процесс, единственный результат которого состоял бы в переходе энергии от холодного тела к горячему (Клаузиус, 1865). 3) Вечный двигатель второго рода невозможен.

2.3 Для математического описания Второго закона термодинамики исполь-зуется термодинами-ческая функция состояния, называемая Энтропией (S, Дж/К)

Энтропия – это отношение теплоты, поступающей в систему к температуре системы

Q

= S

Т

Термодинамическое толкование энтропии

Энтропия является характеристикой теп-ловых потерь системы в данном интервале температур

Термодинамическое толкование энтропии

Энтропия характеризует ту часть теплоты, которая рассеивается в пространстве, не прев-ращаясь в полезную работу

Термодинамическое толкование энтропии

Взаимосвязь энтропии, теплоты и работы описывается неравенством Клаузиуса:

Q

ΔS ≥

Т

Для изолированных систем Q = 0, поэтому S ≥ 0. Таким образом, энтропия изолированной системы постоянно возрастает, что должно привести к ее гибели

Считая Вселенную изолированной системой, Клаузиус сформулировал

Похожие материалы

Информация о работе

Предмет:
Общая химия
Тип:
Конспекты лекций
Размер файла:
199 Kb
Скачали:
0