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.
Самопроизвольные процессы протекают без сообщения системе дополнительной энер-гии из окружающей среды.
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 %.
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
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.
