Второй закон термодинамики

1. Второй закон термодинамики

2. Ответьте на вопросы

1. Вспомните формулировку первого закона
термодинамики.
2. Допускает ли первый закон термодинамики
самопроизвольный переход тепла от менее
нагретого тела к более нагретому?
3. Наблюдаются ли такие процессы в природе?

3. Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики устанавливает связь
между количеством теплоты Q, полученной системой,
изменением dU ее внутренней энергии и работой A,
совершенной над внешними телами:
Q = dU + A.
Согласно этому закону, энергия не может быть создана
или уничтожена; она передается от одной системы к
другой и превращается из одной формы в другую.
Процессы, нарушающие первый закон термодинамики,
никогда не наблюдались.
На рисунке изображены устройства, запрещенные
первым законом термодинамики.

4. Первый закон термодинамики

Циклически работающие тепловые машины, запрещаемые первым законом
термодинамики:
1 – вечный двигатель 1 рода, совершающий работу без потребления
энергии извне, только за счет запаса внутр. энергии;
2 – тепловая машина с коэффициентом полезного действия η > 1

5. Невозможность создания вечного двигателя

Задолго до открытия закона сохранения энергии
Французская Академия наук приняла в 1775г. решение не
рассматривать проектов вечных двигателей первого рода.
Под вечным двигателем первого рода понимают
устройство, которое могло бы совершать неограниченное
количество работы без затраты топлива или каких-либо
других материалов.
Вечные двигатели обычно конструируют на основе
использования следующих приёмов или их комбинаций:
1) Подъем воды с помощью архимедова винта;
2) Подъем воды с помощью капилляров;
3) Использование колеса с неуравновешивающимися
грузами;
4) Природные магниты;
5) Электромагнетизм;
6) Пар или сжатый воздух.

6. Необратимые процессы

Первый закон термодинамики не устанавливает
направления тепловых процессов.
Тепловые процессы, которые могут протекать только в
одном направлении, называются необратимыми.
Например:
1. При тепловом контакте двух тел с разными температурами тепловой
поток всегда направлен от более теплого тела к более холодному. Никогда
не наблюдается самопроизвольный процесс передачи тепла от тела с
низкой температурой к телу с более высокой температурой, т.е. процесс
теплообмена при конечной разности температур является необратимым.
2. Процесс диффузии. Открыв пузырёк с духами, мы быстро почувствуем
запах духов. Молекулы ароматического вещества благодаря тепловому
движению проникают в пространство между молекулами воздуха. Трудно
представить, чтобы все они вновь собрались в пузырьке.
Все реальные процессы необратимы

7. Обратимые процессы

Обратимыми процессами называют процессы перехода
системы из одного равновесного состояния в другое, которые
можно провести в обратном направлении через ту же
последовательность промежуточных равновесных состояний.
При этом сама система и окружающие тела возвращаются к
исходному состоянию.
Равновесное состояние — это состояние, при котором
температура и давление во всех точках системы одинаковы.
Обратимый процесс должен протекать очень
медленно, чтобы каждое промежуточное состояние было
равновесным.
Круговой процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат (цикл
Карно) является единственным обратимым круговым процессом, при
котором рабочее тело приводится в тепловой контакт только с двумя
тепловыми резервуарами. Все остальные круговые процессы, проводимые
с двумя тепловыми резервуарами, необратимы.

8. Обратимые процессы

Произвольный обратимый цикл как последовательность малых
изотермических и адиабатических участков

9. Второй закон термодинамики

Первый закон термодинамики не может отличить
обратимые процессы от необратимых. Он просто требует от
термодинамического процесса определенного энергетического
баланса и ничего не говорит о том, возможен такой процесс
или нет.
Направление самопроизвольно протекающих процессов
устанавливает второй закон термодинамики. Он может быть
сформулирован в виде запрета на определенные виды
термодинамических процессов.

10. Второй закон термодинамики Формулировка У.Кельвина (1851 г.)

Невозможно
осуществить такой
периодический
процесс,
единственным
результатом которого
было бы совершение
работы за счет
теплоты взятой от
одного источника

11. Второй закон термодинамики Формулировка У.Кельвина (1851 г.)

Гипотетическую тепловую машину, в которой мог бы
происходить такой процесс, называют вечным двигателем
второго рода.
В земных условиях такая машина могла бы отбирать тепловую
энергию, например, у Мирового океана и полностью
превращать ее в работу. Масса воды в Мировом океане
составляет примерно 1021 кг, и при ее охлаждении на один
градус выделилось бы огромное количество энергии
(≈ 1024 Дж), эквивалентное полному сжиганию 1017 кг угля.
Ежегодно вырабатываемая на Земле энергия приблизительно
в 104 раз меньше. Поэтому вечный двигатель второго рода был
бы для человечества не менее привлекателен, чем вечный
двигатель первого рода, запрещенный первым законом
термодинамики.

12. Второй закон термодинамики Формулировка Р. Клаузиуса (1850 г.)

Невозможен процесс,
единственным
результатом которого
была бы передача
энергии путем
теплообмена от тела
с низкой
температурой к телу
с более высокой
температурой.

13. Второй закон термодинамики

Процессы, не противоречащие первому закону термодинамики, но
запрещаемые вторым законом: 1 – вечный двигатель второго рода; 2 –
самопроизвольный переход тепла от холодного тела к более теплому
(идеальная холодильная машина)

14. Второй закон термодинамики Статистический характер

Констатируя факт необратимости процессов в природе,
второй закон не дает ему никакого объяснения.
Необратимость макропроцессов вроде парадоксальна: ведь
все микропроцессы обратимы.
В микромире нет сил трения; все силы –
электромагнитные, зависят только от взаимного положения
частиц и поэтому обратимы во времени. Уравнения движения
молекулы тоже обратимы во времени, т.к. содержат только
силы, зависящие от расстояний.
Одному и тому же макросостоянию системы отвечает
огромное число микроскопических состояний.
Переход одной молекулы на место другой – уже
изменение микросостояния системы, но это не приводит к
изменению макросостояния

15. Второй закон термодинамики Статистический характер

1.
2.
3.
4.
Стрела времени
Во всех процессах существует
выделенное направление, в котором
процессы происходят сами собой
В процессах, протекающих
произвольно, более упорядоченные
состояния заменяются на менее
упорядоченные
Чем больше «порядок» в системе,
тем труднее восстановить его из
«беспорядка»
Выделенное направление времени,
воспринимаемое человеком, связано
с направленностью процессов в
мире.
Л. Больцманн

16. Второй закон термодинамики Статистический характер

Л.Больцман высказал предположение, что все
микросостояния замкнутой системы равновероятны.
Микросостояния непрерывно сменяют друг друга, а
макросостояние остается неизменным.
Чем больше микросостояний реализуют данное
макросостояние, тем оно более вероятно.
Т.о., эволюция системы происходит в направлении от
маловероятных состояний к состояниям более
вероятным.
Обратный процесс не является невозможным, просто
он чрезвычайно маловероятен.

17. Второй закон термодинамики Статистический характер

Так, состояние газа, при котором молекулы движутся
хаотично, является наиболее вероятным, наиболее вероятным
является и равномерное распределение молекул по объёму
Однако возможно, что благодаря случайным
перемещениям молекул все они окажутся в какой-то части
сосуда, но вероятность такого состояния чрезвычайно мала.
Соответственно не противоречит законам природы даже
такой процесс, в результате которого при случайном движении
молекул воздуха все они соберутся в одной половине класса, а
учащиеся в другой половине класса задохнутся.
Но реально это событие никогда не происходило в
прошлом и не произойдёт в будущем.

18. Второй закон термодинамики Статистический характер

Слишком мала вероятность подобного события, чтобы
оно когда-либо случилось за всё время существования
Вселенной в современном её состоянии — около нескольких
миллиардов лет.
По приблизительным оценкам, эта вероятность
примерно такого же порядка, как и вероятность того, что
20 000 обезьян, хаотично ударяя по клавишам пишущих
машинок, напечатают без единой ошибки «Войну и мир» Л. Н.
Толстого. В принципе это возможно, но реально никогда не
произойдёт.

19. Границы применимости второго закона термодинамики

Закон справедлив только для систем с огромным числом
частиц ( в системах с малым числом частиц могут
наблюдаться случайные отклонения от равновесного
состояния)
Такие случайные отклонения системы от равновесия
называются флуктуациями.
Именно флуктуациями плотности газа в областях
порядка длины световой волны объясняются рассеяние света
в атмосфере Земли и голубой цвет неба. Флуктуации
давления в малых объёмах объясняют броуновское движение.

20.

а) Изохорический процесс: V const
dS
dQ CV dT
,
T
T
S S 2 S1 CV ln
T2
.
T1
S S 2 S1 C p ln
T2
.
T1
б) Изобарический процесс: P const
dQ C p dT
dS
,
T
T
в) Изотермический процесс: T const
dS
dQ
,
T
S S 2 S1
V
Q
R ln 2 .
T
V1
г) Адиабатический процесс: dQ 0
dS
dQ
,
T
dS 0 ,
S const .

21.

Энтропия и второе начало термодинамики
dQ
dS
T
TdS dU PdV

22.

Третье начало термодинамики
lim S 0
T 0