Второе начало термодинамики

1.4. Второе начало термодинамики

1.4.1. Краткие теоретические сведения

          Второе начало термодинамики – фундаментальный закон физики, определяющий направление протекания процессов. Этот закон был открыт и впервые сформулирован в связи с вопросом о работе тепловых двигателей.

          Тепловой двигатель – устройство, с помощью которого энергия скрытой формы движения материи (энергия теплового движения) превращается в энергию механического движения.

          Общие существенные черты всех тепловых машин состоят в следующем:

1.  Тепловая машина работает циклами.

2.  В течение цикла имеет место процесс (или ряд процессов) в результате которого рабочее вещество забирает от нагревателя некоторое количество теплоты Q₁.

3.  Имеет место процесс (или ряд процессов) в ходе которого холодильнику количество теплоты Q₂ < Q₁.

В соответствии с первым началом термодинамики работа машины A равняется балансу тепла:

.

Величина  называется термодинамическим коэффициентом полезного действия (КПД) тепловой машины.

          Термодинамический КПД идеальной тепловой машины Карно может быть выражен следующим образом:

,

где Т₁ – температура нагревателя, Т₂ – температура холодильника.

          Второе начало термодинамики – это закон физики, запрещающий некомпенсированный переход тепла в работу, равно как и запрещающий некомпенсированную передачу тепла от тела более холодного к телу более горячему.

          В общей сложности насчитывается около 10 разных формулировок второго начала. Одна из них связана с определением энтропии S: , где  – тепло, сообщенное системе в элементарном квазистатическом переходе. Все процессы в замкнутой системе протекают так, что энтропия ее не убывает: . Знак равенства относится к квазистатическим, а неравенства – к нестатическим процессам. Введение энтропии позволяет первое и второе начала записать в единой форме:

.                                             (1.4.1)

Наряду с термодинамическим возможно и статистическое толкование энтропии: , где k – постоянная Больцмана, W – термодинамическая вероятность.

          При решении задач термодинамики пользуются обычно двумя методами: методом циклов и методом характеристических функций. Метод циклов, в частности, приводит к уравнению Клапейрона-Клаузиуса, которое описывает фазовые переходы первого рода:

,                                                (1.4.2)

где  – теплота фазового перехода;  – объемы, занимаемые фазами.

          Наиболее употребительными характеристическими функциями (термодинамическими потенциалами) являются внутренняя энергия , энтальпия , свободная энергия  и функция Гиббса . С помощью термодинамических потенциалов можно выразить параметры состояния системы:

;

;