Tulad ng nalalaman, ang unang batas ng thermodynamics ay sumasalamin sa batas ng konserbasyon ng enerhiya sa mga prosesong thermodynamic, ngunit hindi ito nagbibigay ng ideya ng direksyon ng mga proseso. Bilang karagdagan, maaari kang makabuo ng maraming mga proseso ng thermodynamic na hindi sasalungat sa unang batas, ngunit sa katotohanan ang mga naturang proseso ay hindi umiiral. Ang pagkakaroon ng pangalawang batas (batas) ng thermodynamics ay sanhi ng pangangailangang itatag ang posibilidad ng isang partikular na proseso. Tinutukoy ng batas na ito ang direksyon ng daloy ng mga prosesong thermodynamic. Kapag bumubuo ng pangalawang batas ng thermodynamics, ginagamit nila ang mga konsepto ng entropy at ang Clausius inequality. Sa kasong ito, ang pangalawang batas ng thermodynamics ay binabalangkas bilang batas ng paglago ng entropy ng isang saradong sistema kung ang proseso ay hindi maibabalik.

Mga pahayag ng ikalawang batas ng thermodynamics

Kung ang isang proseso ay nangyayari sa isang saradong sistema, kung gayon ang entropy ng sistemang ito ay hindi bumababa. Sa anyo ng isang formula, ang pangalawang batas ng thermodynamics ay nakasulat bilang:

kung saan ang S ay entropy; L ay ang landas kung saan gumagalaw ang system mula sa isang estado patungo sa isa pa.

Sa pagbabalangkas na ito ng pangalawang batas ng thermodynamics, dapat bigyang pansin ang katotohanan na ang sistema na isinasaalang-alang ay dapat na sarado. Sa isang bukas na sistema, ang entropy ay maaaring kumilos sa anumang paraan (maaari itong bumaba, tumaas, o manatiling pare-pareho). Tandaan na ang entropy ay hindi nagbabago sa isang saradong sistema sa panahon ng mga reversible na proseso.

Ang paglaki ng entropy sa isang saradong sistema sa panahon ng hindi maibabalik na mga proseso ay isang paglipat sistemang thermodynamic mula sa mga estado na may mas maliit na posibilidad hanggang sa mga estado na may mas malaking posibilidad. Ang sikat na formula ng Boltzmann ay nagbibigay ng istatistikal na interpretasyon ng pangalawang batas ng thermodynamics:

saan k - Boltzmann pare-pareho; w - thermodynamic probability (ang bilang ng mga paraan kung saan maaaring maisakatuparan ang macrostate ng system na isinasaalang-alang). Kaya, ang pangalawang batas ng thermodynamics ay isang istatistikal na batas na nauugnay sa paglalarawan ng mga pattern ng thermal (magulong) paggalaw ng mga molekula na bumubuo sa isang thermodynamic system.

Iba pang mga pormulasyon ng ikalawang batas ng thermodynamics

Mayroong ilang iba pang mga pormulasyon ng pangalawang batas ng thermodynamics:

1) Ang pagbabalangkas ni Kelvin: Imposibleng lumikha ng isang pabilog na proseso, ang resulta kung saan ay eksklusibo ang conversion ng init na natanggap mula sa heater sa trabaho. Mula sa pormulasyon na ito ng pangalawang batas ng thermodynamics ay napagpasyahan nila na imposibleng lumikha ng isang panghabang-buhay na makina ng paggalaw ng pangalawang uri. Nangangahulugan ito na ang isang pana-panahong nagpapatakbo ng heat engine ay dapat may pampainit, isang gumaganang likido at isang refrigerator. Sa kasong ito, ang kahusayan ng isang perpektong heat engine ay hindi maaaring mas malaki kaysa sa kahusayan ng Carnot cycle:

nasaan ang temperatura ng pampainit; - temperatura ng refrigerator; ( title="Rendered by QuickLaTeX.com" height="15" width="65" style="vertical-align: -3px;">).!}

2) Pormulasyon ni Clausius: Imposibleng lumikha ng isang pabilog na proseso bilang resulta kung saan ang init lamang ang ililipat mula sa isang katawan na may mas mababang temperatura patungo sa isang katawan na may mas mataas na temperatura.

Ang pangalawang batas ng thermodynamics ay nagsasaad ng mahahalagang pagkakaiba sa pagitan ng dalawang anyo ng paglipat ng enerhiya (trabaho at init). Mula sa batas na ito ay sumusunod na ang paglipat ng ayos na paggalaw ng katawan sa kabuuan sa magulong paggalaw ng mga molekula ng katawan at panlabas na kapaligiran- ay isang hindi maibabalik na proseso. Sa kasong ito, ang iniutos na paggalaw ay maaaring maging magulo nang walang karagdagang (compensatory) na mga proseso. Samantalang ang paglipat mula sa hindi maayos na paggalaw patungo sa iniutos na paggalaw ay dapat na sinamahan ng isang proseso ng pagbabayad.

Mga halimbawa ng paglutas ng problema

HALIMBAWA 1

Mag-ehersisyo

Ano ang kakanyahan ng problemang "Heat Death of the Universe"? Bakit ang problemang ito ay hindi mapagtagumpayan?

Solusyon

Itong problema ay nabuo noong ika-19 na siglo. Kung isasaalang-alang natin ang Uniberso bilang isang saradong sistema at subukang ilapat ang pangalawang batas ng thermodynamics dito, pagkatapos ay ayon sa Clausius hypothesis, ang entropy ng Uniberso ay aabot sa isang tiyak na maximum. Iyon ay, pagkatapos ng ilang oras, ang lahat ng mga anyo ng paggalaw ay magiging thermal motion. Ang lahat ng init mula sa mga katawan na may higit pa mataas na temperatura lilipat sa mga katawan na may higit pa mababang temperatura, ibig sabihin, ang mga temperatura ng lahat ng mga katawan sa Uniberso ay magiging pantay. Ang Uniberso ay darating sa isang estado ng thermal equilibrium, ang lahat ng mga proseso ay titigil - ito ay tinatawag na thermal death ng Universe. Ang error sa pahayag na ito tungkol sa thermal death ng Universe ay nakasalalay sa katotohanan na ang pangalawang batas ng thermodynamics ay hindi naaangkop sa mga bukas na sistema, at ang Uniberso ay hindi dapat ituring na sarado. Dahil ito ay walang limitasyon at binubuo ng walang katapusang pag-unlad.

HALIMBAWA 2

Mag-ehersisyo

Ano ang kahusayan ng cycle na ipinapakita sa Fig. 1? Isaalang-alang na ang isang perpektong gas ay kasangkot sa proseso (ang bilang ng mga antas ng kalayaan ay i) at ang dami nito ay nagbabago ng n beses.

Solusyon

Ang kahusayan ng cycle, na ipinakita sa Fig. 1, ay matatagpuan bilang: kung saan ang dami ng init na natatanggap ng working fluid mula sa heater sa ipinakitang cycle. Sa mga proseso ng adiabatic ay walang supply o pag-alis ng init; lumalabas na ang init ay ibinibigay lamang sa proseso 1-2. - ang dami ng init na inalis mula sa gas sa proseso 3-4. Gamit ang unang batas ng thermodynamics, nakita namin ang dami ng init na natanggap ng gas sa proseso 1-2, na isochoric: dahil walang pagbabago sa volume sa prosesong ito. Tukuyin natin ang pagbabago sa panloob na enerhiya ng gas bilang: Sa pamamagitan ng pagkakatulad, para sa isang isochoric na proseso kung saan inalis ang init, mayroon tayong: Ipalit natin ang nakuhang resulta (2.2 - 2.5) sa expression (2.1): Ginagamit namin ang adiabatic equation upang mahanap ang mga pagkakaiba sa temperatura, at isaalang-alang ang Fig. 1. Para sa proseso 2-3 sumusulat kami:

Sa itaas nakilala namin ang thermodynamic na pamamaraan para sa paglutas ng iba't ibang mga pisikal na problema. Ang lahat ng pangangatwiran ay batay sa paggamit ng isa sa mga pangunahing batas ng kalikasan: ang batas ng konserbasyon at pagbabago ng enerhiya, o ang unang batas ng thermodynamics.

Tulad ng ipinakita ng karanasan ng tao, sa kabila ng kahalagahan ng batas na ito, gayunpaman, hindi sapat upang ipaliwanag ang kakaibang paglitaw ng iba't ibang mga phenomena sa kalikasan. Upang mapatunayan ito, isaalang-alang natin ang unang batas ng thermodynamics at ang mga kahihinatnan na kasunod nito mula sa isang bahagyang naiibang pananaw kaysa sa ginawa sa itaas. Sa matematika, ang unang batas ng thermodynamics ay ipinahayag ng equation:

ang pisikal na kahulugan nito ay bumababa sa pahayag na ang isang pagbabago sa panloob na enerhiya ng sistema ay posible o bilang isang resulta

pagganap ng trabaho, o bilang isang resulta ng paglipat ng isang tiyak na halaga ng init. Napakahalaga na maubos ng nakasulat na equation ang lahat mga posibleng paraan mga pagbabago sa panloob na enerhiya ng isang sistema: ang panloob na enerhiya ng isang sistema ay maaari lamang magbago bilang resulta ng gawaing ginagawa o isang tiyak na dami ng init na inililipat.

Bigyang-pansin natin ngayon ang katotohanan na ang parehong mga pamamaraan ng pagbabago ng panloob na enerhiya ng isang sistema ay nagpapahiwatig ng pakikipag-ugnayan nito sa ilang mga katawan na hindi kasama sa sistemang isinasaalang-alang. Ang trabaho ay ginagawa alinman sa pamamagitan ng mga panlabas na puwersa, iyon ay, sa pamamagitan ng mga puwersa na kumikilos sa sistema mula sa anumang mga katawan na hindi kasama dito, o, sa kabaligtaran, sa pamamagitan ng sistema na nagtagumpay sa pagkilos ng mga panlabas na puwersa na ito.

Sa parehong paraan, ang halaga ng init na kinakailangan upang baguhin ang panloob na enerhiya ng system ay inilipat sa huli alinman mula sa anumang mga katawan na hindi kasama dito, o mula sa system mismo sa mga katawan na ito.

Ang pangangailangan na baguhin ang panloob na enerhiya ng isang sistema sa pamamagitan ng pakikipag-ugnayan nito sa mga katawan na hindi kasama dito ay humahantong sa katotohanan na sa isang nakahiwalay na sistema, iyon ay, sa isang sistema na kinabibilangan ng lahat ng mga nakikipag-ugnay na katawan, ang panloob na enerhiya ay nananatiling hindi nagbabago. Isinasaalang-alang ang nasa itaas, ang unang batas ng thermodynamics ay minsang nabubuo sa ganitong paraan, na nagsasabi na ang panloob na enerhiya ng isang nakahiwalay na sistema ay pare-pareho, o, kung ano ang pareho, sa isang nakahiwalay na sistema

Sa iba't ibang mga sistemang thermodynamic ay maiisip ng isang tao ang isang malawak na iba't ibang mga proseso. Ang unang batas ng thermodynamics ay nagpapahintulot sa amin na pumili mula sa iba't ibang mga proseso na ang paglitaw mula sa punto ng view ng mga relasyon sa enerhiya ay sa panimula ay posible.

Ipagpalagay, halimbawa, na ang system na isinasaalang-alang ay binubuo ng dalawang bahagi ng parehong likido, na may katumbas na temperatura. Kapag ang mga bahaging ito ng likido ay pinatuyo sa ilalim ng mga kondisyon ng paghihiwalay mula sa pakikipag-ugnayan sa anumang iba pang mga katawan, ang isang tiyak na temperatura ay itinatag para sa buong halo. pangkalahatang temperatura Batay sa unang batas ng thermodynamics, maaaring pagtalunan na ang huling temperatura ng buong halo ay hindi maaaring mas malaki kaysa sa temperatura ng pampainit ng mga pinaghalong bahagi ng likido. Ang isang proseso na humahantong sa isang resulta ay hindi pinapayagan ng unang batas ng thermodynamics. Bukod dito, sa parehong batayan maaari itong maitalo na sa kaso ng isang tunay na nakahiwalay na sistema, ang mga ganitong proseso lamang ang posible kung saan ang mga sumusunod na pagkakapantay-pantay ay nasiyahan:

Ang napakalaking kahalagahan ng unang batas ng thermodynamics ay tiyak na nakasalalay sa katotohanan na ito ay nagpapahiwatig kung paano pumili mula sa isang walang katapusang bilang ng mga proseso na maiisip ng isang tao.

isipin ang mga proseso na ang paglitaw, sa pangkalahatan, ay posible.

Gayunpaman, habang tumutulong upang matukoy ang mga posibleng proseso, ang unang batas ng thermodynamics ay hindi nagbibigay ng batayan para sa karagdagang pagkakaiba sa pagitan ng mga ito: mula sa punto ng view ng unang batas ng thermodynamics, lahat ng mga napiling proseso ay pantay na posible.

Upang maunawaan ang tampok na ito, bumalik tayo sa halimbawa sa itaas. Kapag ang paghahalo ng dalawang bahagi ng likido na may iba't ibang mga temperatura, mula sa punto ng view ng unang batas ng thermodynamics, ang anumang proseso ay posible, bilang isang resulta kung saan ang temperatura ng pinaghalong tumatagal sa isang halaga na naaayon sa equation (21).

Gayunpaman, mula sa punto ng view ng unang batas ng thermodynamics, ang kabaligtaran na proseso sa na isinasaalang-alang ay posible din: ang unang batas ng thermodynamics ay nagbibigay-daan sa posibilidad na ang isang likido, na ang masa nito ay may parehong temperatura sa lahat ng dako, ay kusang-loob. hatiin sa dalawang bahagi na may magkaibang temperatura kung ang mga temperaturang ito lamang ang makakatugon sa equation (21). Ang unang batas ng thermodynamics ay hindi pinapayagan lamang ang pagbabago sa panloob na enerhiya ng isang nakahiwalay na sistema, ngunit hindi sa anumang paraan nililimitahan ang muling pamamahagi ng panloob na enerhiya sa loob ng isang naibigay na nakahiwalay na sistema.

Kasabay nito, ang karanasan ay nagtuturo sa isang tao na ang ibang sitwasyon ay sinusunod sa kalikasan.

Kilalang-kilala na kapag ang ilang bahagi ng likido ay pinaghalo sa iba't ibang temperatura, ang pinaghalong palaging nakakakuha ng isang tiyak na temperatura na karaniwan sa buong likido. Kilala rin mula sa karanasan na kung walang panlabas na impluwensya sa isang likido na may parehong temperatura sa lahat ng dako, ang pagkakaiba ng temperatura ay hindi kailanman lumitaw dahil sa kusang paglipat ng isang tiyak na halaga ng init mula sa isang bahagi ng likido patungo sa isa pa.

Sa parehong paraan, kapag naghahalo may tubig na solusyon anumang asin na may malinis na tubig Ang pagsasabog ng isang natunaw na sangkap ay palaging sinusunod, na humahantong sa pagkakapantay-pantay ng konsentrasyon ng solusyon sa buong likido, at hindi kailanman naobserbahan na ang isang sangkap na natunaw sa anumang likido ay kusang nakolekta sa isang bahagi nito, habang ang purong solvent ay lilitaw sa pangalawa, kahit na ang prosesong ito at hindi sumasalungat sa unang batas ng thermodynamics.

Sa wakas, ang isa ay maaaring patuloy na obserbahan ang kusang pagbabago ng mekanikal na trabaho sa init. Kaya, halimbawa, maaari kang gumawa ng isang mabigat na block slide sa kahabaan ng isang hilig na eroplano (Larawan 101), at ang lahat ng gawaing ginawa ng gravity ay mako-convert sa init dahil sa alitan. Bilang resulta ng alitan, ang temperatura ng bloke at ang hilig na eroplano ay tataas nang bahagya, at ang panloob na enerhiya ng system ay mananatiling pare-pareho.

Kasabay nito, gaano man kalaki ang inaasahan ng isang tao, hindi posible na obserbahan ang kusang paglamig ng bloke at ang hilig na eroplano, bilang isang resulta kung saan ang bloke mismo ay magsisimulang umakyat sa hilig na eroplano, bagaman ang prosesong ito ay maaari ring nangyayari sa isang pare-parehong panloob na enerhiya ng system.

Kaya, ang mga proseso na posible mula sa punto ng view ng unang batas ng thermodynamics ay lumabas na hindi pantay sa mga tuntunin ng kanilang paglitaw sa kahulugan na, tulad ng ipinapakita ng karanasan, sa isang nakahiwalay na sistema ang ilan sa mga prosesong ito ay nangyayari, habang ang iba ay hindi nangyayari.

Ang pagkakaiba sa pagitan ng mga naturang proseso ay ipinahiwatig ng pangalawang pangunahing batas, o pangalawang batas, ng thermodynamics.

Ang pangalawang batas ng thermodynamics ay nagsasaad na mayroong isang function ng estado na tinatawag na entropy, na may pag-aari na para sa lahat ng mga tunay na proseso na nagaganap sa isang nakahiwalay na sistema, ito ay tumataas.

Kaya, ang pangalawang batas ng thermodynamics ay maaaring ibigay ang sumusunod na pagbabalangkas: sa isang nakahiwalay na sistema, ang mga ganitong proseso lamang ang posible kung saan tumataas ang entropy ng system.

Kadalasan ang pangalawang batas ng thermodynamics ay medyo naiiba, halimbawa, si Kelvin ay nagbalangkas ng batas na ito sa anyo ng isang pahayag na ang isang proseso ay imposible, ang tanging resulta nito ay ang pagtanggap ng init mula sa anumang katawan at ang conversion nito sa isang katumbas. bilang ng trabaho.

Iminungkahi ni Clausius na isulat ang pangalawang batas ng thermodynamics bilang isang pahayag ng imposibilidad ng kusang paglipat ng init mula sa isang mas malamig na katawan patungo sa isang mas mainit na katawan. Ang mga pormulasyon na ito ng pangalawang prinsipyo, gayundin ang ilang iba pang mga pormulasyon na matatagpuan sa panitikan, sa huli ay humahantong sa parehong mga konklusyon, at sa bagay na ito ay katumbas.

Ang pormulasyon na ibinigay bilang ang una ay naiiba sa mas malinaw na ipinapakita nito ang pangkalahatan ng pangalawang batas ng thermodynamics.

Ayon sa pangalawang batas ng thermodynamics, upang masagot ang tanong kung ito o ang pagbabagong iyon ay posible sa isang nakahiwalay na sistema, kinakailangan upang kalkulahin ang pagtaas ng entropy sa panahon ng pagbabagong ito, at kung ang pagtaas na ito ay lumalabas na positibo, kung gayon ang pagbabagong pinag-uusapan ay posible, dahil bilang isang resulta nito ay tumataas ang entropy ng nakahiwalay na sistema. Pareho

Ang mga proseso kung saan ang pagtaas ng entropy ay lumalabas na negatibo ay imposible sa isang nakahiwalay na sistema, dahil sa mga naturang proseso ang entropy ng isang nakahiwalay na sistema ay dapat bumaba.

Sa thermodynamics, hindi entropy ang tinutukoy sa dami, ngunit ang pagkakaiba sa entropy na tumutugma sa anumang pagbabago sa estado ng system. Ang bagong function ng estado - entropy - ay tinutukoy ng titik at ayon sa kahulugan

Ang pagkakaiba ng pagbabago sa entropy ay kaya natutukoy sa pamamagitan ng ratio ng differentially maliit na halaga ng init na natanggap o inilabas ng system sa temperatura kung saan nangyayari ang proseso. Upang ipaliwanag kung paano ginagamit ang mga formula (22) at (23), isaalang-alang natin ang ilang halimbawa.

1. Kalkulahin natin ang pagbabago sa entropy kapag natutunaw ang 1 kmole ng yelo. Tiyak na init ng pagsasanib ng yelo Natutunaw ang yelo sa pare-pareho ang temperatura 273° K, at samakatuwid sa equation (23) ito ay kinuha mula sa integral sign na sa kasong ito ay magiging katumbas ng halaga ng init na kinakailangan upang matunaw ang isang kilomole ng yelo.

kaya:

2. Isang kilo perpektong gas sumasakop sa volume sa presyon at temperatura Alamin natin ang pagbabago sa entropy sa panahon ng paglipat ng equilibrium ng isang gas sa isang estado na nailalarawan ng mga parameter ng estado

Isulat natin ang unang batas ng thermodynamics:

Sa kaso ng isang perpektong gas. Ang pagpapalit ng mga halagang ito sa equation ng unang batas, isinusulat namin ito sa anyo:

Ang paghahati sa equation na ito sa pamamagitan ng at isinasaalang-alang ang kahulugan ng entropy (Equation 22), nakukuha natin:

Sa pamamagitan ng pagsasama ng equation sa hanay mula hanggang sa nakita namin ang nais na solusyon:

Ipagpalagay namin na ang mga piraso ay napakalaki na ang pagbabago sa temperatura sa panahon ng pagkakaroon o pagkawala ay maaaring mapabayaan. Kapag ang init ay pumasa mula sa isang mas mainit na katawan patungo sa isang mas malamig na katawan, pangkalahatang pagbabago Ang entropy sa system ay magiging:

Ang isang minus sign ay inilalagay kapag ang init ay ibinibigay ng katawan, at isang plus sign kapag ang katawan ay nakatanggap ng isang tiyak na halaga ng init.

Kung ang init ay lumipat mula sa isang mas malamig na katawan patungo sa isang mas mainit na katawan, ang kabuuang pagbabago sa entropy ng system ay magiging:

Kaya, ang paglipat ng init mula sa isang mas mainit na katawan sa isang mas malamig na katawan ay sinamahan ng isang positibong pagtaas sa entropy, at, samakatuwid, ang prosesong ito ay posible sa isang nakahiwalay na sistema. Sa kabaligtaran, ang paglipat ng init mula sa isang mas malamig na katawan sa isang mas mainit na katawan ay sinamahan ng isang negatibong pagtaas sa entropy, at, samakatuwid, ang ganitong proseso ay imposible sa isang nakahiwalay na sistema.

Bilang pangalawang halimbawa, isaalang-alang ang pagbabago sa entropy kapag nagbabago ang dami ng isang perpektong gas. Ang pagbabago sa entropy sa kasong ito ay ipinahayag ng formula:

Kung isothermal ang pagbabago ng volume:

ibig sabihin, ang pagbabago sa entropy ay palaging magiging positibo kapag ang huling volume ay mas malaki kaysa sa paunang volume. Sa madaling salita, ang isang perpektong gas, na isang nakahiwalay na sistema, ay kusang lalawak, sinusubukang sakupin ang buong volume na ibinigay dito.

Sa itaas ay tinalakay namin ang pinakapangunahing halimbawa ng paggamit ng pangalawang batas upang matukoy ang direksyon posibleng proseso. Gayunpaman, pinapayagan tayo ng batas na ito na matukoy ang direksyon at higit pa kumplikadong proseso. Bilang karagdagan, ginagawang posible na paunang matukoy sa ilalim ng kung anong mga kondisyon ang isang naibigay na proseso ay magpapatuloy sa nais na direksyon.

Mayroong ilang mga pormulasyon ng pangalawang batas ng thermodynamics, ang mga may-akda nito ay ang German physicist, mechanician at mathematician na si Rudolf Clausius at ang British physicist at mechanician na si William Thomson, Lord Kelvin. Sa panlabas, naiiba sila, ngunit ang kanilang kakanyahan ay pareho.

Ang postulate ni Clausius

Rudolf Julius Emmanuel Clausius

Ang pangalawang batas ng thermodynamics, tulad ng una, ay hinango din sa eksperimento. Ang may-akda ng unang pagbabalangkas ng ikalawang batas ng thermodynamics ay ang German physicist, mechanic at mathematician na si Rudolf Clausius.

« Ang init ay hindi maaaring mag-isa sa paglipat mula sa isang malamig na katawan patungo sa isang mainit na katawan. " Ang pahayag na ito, na tinawag ni Clasius na " thermal axiom", ay nabuo noong 1850 sa akdang "Sa lakas ng pagmamaneho ng init at sa mga batas na maaaring makuha mula dito para sa teorya ng init.""Siyempre, ang init ay inililipat lamang mula sa isang katawan na may mas mataas na temperatura patungo sa isang katawan na may mas mababang temperatura. Sa kabilang direksyon, imposible ang kusang paglipat ng init." Iyon ang ibig sabihin Ang postulate ni Clausius , na tumutukoy sa kakanyahan ng ikalawang batas ng thermodynamics.

Nababaligtad at hindi maibabalik na mga proseso

Ang unang batas ng thermodynamics ay nagpapakita ng quantitative na relasyon sa pagitan ng init na natanggap ng system, ang pagbabago sa panloob na enerhiya nito at ang gawaing ginawa ng system sa mga panlabas na katawan. Ngunit hindi niya isinasaalang-alang ang direksyon ng paglipat ng init. At maaari itong ipalagay na ang init ay maaaring ilipat pareho mula sa isang mainit na katawan sa isang malamig, at kabaliktaran. Samantala, sa katotohanan ay hindi ito ganoon. Kung magkadikit ang dalawang katawan, palaging inililipat ang init mula sa mas mainit na katawan patungo sa hindi gaanong init. Bukod dito, ang prosesong ito ay nangyayari sa sarili nitong. Sa kasong ito, walang mga pagbabagong nagaganap sa mga panlabas na katawan na nakapalibot sa mga katawan na nakikipag-ugnay. Ang ganitong proseso na nangyayari nang hindi gumaganap ng trabaho mula sa labas (nang walang interbensyon ng mga panlabas na pwersa) ay tinatawag kusang-loob . Maaari siyang maging nababaligtad At hindi maibabalik.

Kusang lumalamig, inililipat ng mainit na katawan ang init nito sa mas malamig na katawan na nakapalibot dito. At ang malamig na katawan ay hindi kailanman natural na magiging mainit. Sa kasong ito, ang thermodynamic system ay hindi maaaring bumalik sa orihinal nitong estado. Ang prosesong ito ay tinatawag na hindi maibabalik . Hindi maibabalik na mga proseso dumaloy sa isang direksyon lamang. Halos lahat ng mga kusang proseso sa kalikasan ay hindi maibabalik, tulad ng oras ay hindi maibabalik.

Nababaligtad ay isang thermodynamic na proseso kung saan ang isang sistema ay dumadaan mula sa isang estado patungo sa isa pa, ngunit maaaring bumalik sa orihinal nitong estado sa pamamagitan ng pagdaan sa mga intermediate equilibrium na estado sa reverse order. Sa kasong ito, ang lahat ng mga parameter ng system ay naibalik sa kanilang orihinal na estado. Ang mga nababalikang proseso ay gumagawa ng pinakamaraming gawain. Gayunpaman, sa katotohanan ay hindi ito maisasakatuparan; maaari lamang silang lapitan, dahil sila ay nagpapatuloy nang walang hanggan na mabagal. Sa pagsasagawa, ang ganitong proseso ay binubuo ng tuluy-tuloy na sunud-sunod na mga estado ng ekwilibriyo at tinatawag parang static. Lahat ng quasi-static na proseso ay nababaligtad.

Ang postulate ni Thomson (Kelvin).

William Thomson, Panginoon Kelvin

Ang pinakamahalagang gawain ng thermodynamics ay ang pagkuha sa tulong ng init ang pinakamalaking bilang trabaho. Ang trabaho ay madaling ma-convert sa init nang walang anumang kabayaran, halimbawa, sa pamamagitan ng alitan. Ngunit ang kabaligtaran na proseso ng pag-convert ng init sa trabaho ay hindi ganap na nagaganap at imposible nang hindi nakakakuha ng karagdagang enerhiya mula sa labas.

Dapat sabihin na ang paglipat ng init mula sa isang mas malamig na katawan sa isang mas mainit ay posible. Ang prosesong ito ay nangyayari, halimbawa, sa aming refrigerator sa bahay. Ngunit hindi ito maaaring kusang-loob. Upang ito ay dumaloy, kinakailangan na magkaroon ng isang compressor na magpapadalisay sa naturang hangin. Iyon ay, para sa reverse na proseso (paglamig) isang panlabas na supply ng enerhiya ay kinakailangan. " Imposibleng ilipat ang init mula sa isang katawan na may mas mababang temperatura nang walang kabayaran ».

Noong 1851, isa pang pagbabalangkas ng pangalawang batas ang ibinigay ng British physicist at mekaniko na si William Thomson, Lord Kelvin. Ang postulate ni Thomson (Kelvin) ay nagsasaad: "Imposible ang isang pabilog na proseso, ang tanging resulta nito ay ang paggawa ng trabaho sa pamamagitan ng paglamig ng heat reservoir" . Iyon ay, imposibleng lumikha ng isang cyclically operating engine, ang pagkilos nito ay magbubunga ng positibong trabaho dahil sa pakikipag-ugnayan nito sa isang pinagmulan lamang ng init. Pagkatapos ng lahat, kung ito ay posible, ang isang heat engine ay maaaring gumana gamit, halimbawa, ang enerhiya ng World Ocean at ganap na i-convert ito sa gawaing mekanikal. Dahil dito, lalamig ang karagatan dahil sa pagbaba ng enerhiya. Ngunit sa sandaling ang temperatura nito ay mas mababa kaysa sa temperatura ng kapaligiran, isang proseso ng kusang paglipat ng init mula sa isang mas malamig na katawan patungo sa isang mas mainit na isa ay kailangang mangyari. Ngunit ang gayong proseso ay imposible. Dahil dito, para gumana ang isang heat engine, hindi bababa sa dalawang pinagmumulan ng init ang kinakailangan, na may magkakaibang temperatura.

Perpetual motion machine ng pangalawang uri

Sa mga makina ng init, ang init ay na-convert sa kapaki-pakinabang na gawain lamang kapag lumipat mula sa isang pinainit na katawan patungo sa isang malamig. Upang gumana ang naturang makina, ang pagkakaiba ng temperatura ay nilikha dito sa pagitan ng heat transmitter (heater) at ng heat sink (refrigerator). Ang pampainit ay naglilipat ng init sa gumaganang likido (halimbawa, gas). Lumalawak at gumagana ang working fluid. Gayunpaman, hindi lahat ng init ay na-convert sa trabaho. Ang ilan sa mga ito ay inililipat sa refrigerator, at ang ilan, halimbawa, ay napupunta lamang sa kapaligiran. Pagkatapos, upang maibalik ang mga parameter ng gumaganang likido sa kanilang orihinal na mga halaga at simulan ang pag-ikot muli, ang gumaganang likido ay kailangang pinainit, iyon ay, ang init ay dapat alisin mula sa refrigerator at ilipat sa pampainit. Nangangahulugan ito na ang init ay kailangang ilipat mula sa isang malamig na katawan patungo sa isang mas mainit. At kung ang prosesong ito ay maisasagawa nang hindi nagbibigay ng enerhiya mula sa labas, makakakuha tayo ng isang panghabang-buhay na makina ng paggalaw ng pangalawang uri. Ngunit dahil, ayon sa pangalawang batas ng thermodynamics, imposibleng gawin ito, imposible rin na lumikha ng isang panghabang-buhay na makina ng paggalaw ng pangalawang uri, na ganap na magpapabago ng init sa trabaho.

Mga katumbas na pormulasyon ng ikalawang batas ng thermodynamics:

1. Ang isang proseso ay imposible, ang tanging resulta kung saan ay ang conversion ng buong halaga ng init na natanggap ng system sa trabaho.
2. Imposibleng lumikha ng isang panghabang-buhay na makina ng paggalaw ng pangalawang uri.

Prinsipyo ni Carnot

Nicolas Leonard Sadi Carnot

Ngunit kung imposibleng lumikha ng isang walang hanggang motion machine, posible na ayusin ang operating cycle ng isang heat engine sa paraang ang kahusayan (efficiency factor) ay maximum.

Noong 1824, bago pa man mabuo nina Clausius at Thomson ang kanilang mga postulate na tumutukoy sa ikalawang batas ng thermodynamics, inilathala ng Pranses na pisiko at matematiko na si Nicolas Leonard Sadi Carnot ang kanyang akda. "Mga pagninilay sa puwersang nagtutulak ng apoy at sa mga makinang may kakayahang bumuo ng puwersang ito." Sa thermodynamics ito ay itinuturing na pangunahing. Sinuri ng siyentipiko ang mga makina ng singaw na umiiral sa oras na iyon, ang kahusayan nito ay 2% lamang, at inilarawan ang pagpapatakbo ng isang perpektong makina ng init.

Sa isang makina ng tubig, gumagana ang tubig sa pamamagitan ng pagbagsak mula sa isang taas. Sa pamamagitan ng pagkakatulad, iminungkahi ni Carnot na ang init ay maaari ding gumana sa pamamagitan ng paglipat mula sa isang mainit na katawan patungo sa isang mas malamig. Nangangahulugan ito na upang Gumagana ang makina ng init, dapat itong mayroong 2 pinagmumulan ng init na may magkakaibang temperatura. Ang pahayag na ito ay tinatawag na Prinsipyo ni Carnot . At tinawag ang operating cycle ng heat engine na nilikha ng siyentipiko Ikot ng Carnot .

Nakagawa si Carnot ng perpektong makinang pampainit na maaaring gumanap maximum posibleng trabaho dahil sa init na ibinibigay dito.

Ang heat engine na inilarawan ni Carnot ay binubuo ng isang heater na may temperatura T N , working fluid at refrigerator na may temperatura T X .

Ang Carnot cycle ay isang circular reversible na proseso at may kasamang 4 na yugto - 2 isothermal at 2 adiabatic.

Ang unang yugto A→B ay isothermal. Nagaganap ito sa parehong temperatura ng heater at working fluid T N . Sa panahon ng pakikipag-ugnay sa dami ng init Q H inilipat mula sa pampainit sa gumaganang likido (gas sa silindro). Ang gas ay lumalawak nang isothermally at gumaganap ng mekanikal na gawain.

Upang ang proseso ay maging cyclic (tuloy-tuloy), ang gas ay dapat ibalik sa orihinal na mga parameter nito.

Sa ikalawang yugto ng cycle B→C, ang working fluid at ang heater ay pinaghihiwalay. Ang gas ay patuloy na lumalawak nang adiabatically nang hindi nakikipagpalitan ng init sa kapaligiran. Kasabay nito, ang temperatura nito ay bumababa sa temperatura ng refrigerator T X , at patuloy siyang gumagawa.

Sa ikatlong yugto B→G ang gumaganang likido, pagkakaroon ng temperatura T X , ay nakikipag-ugnayan sa refrigerator. Sa ilalim ng impluwensya ng isang panlabas na puwersa, ito ay isothermally compressed at naglalabas ng init sa dami Q X refrigerator. Ginagawa ito.

Sa ikaapat na yugto G→A, ang gumaganang likido ay ihihiwalay mula sa refrigerator. Sa ilalim ng impluwensya ng isang panlabas na puwersa, ito ay naka-compress adiabatically. Ginagawa ito. Ang temperatura nito ay nagiging katumbas ng temperatura ng pampainit T N .

Ang gumaganang likido ay bumalik sa orihinal nitong estado. Nagtatapos ang pabilog na proseso. Magsisimula ang isang bagong cycle.

Ang kahusayan ng isang body machine na nagpapatakbo ayon sa Carnot cycle ay katumbas ng:

Ang kahusayan ng naturang makina ay hindi nakasalalay sa disenyo nito. Depende lamang ito sa pagkakaiba ng temperatura sa pagitan ng pampainit at refrigerator. At kung ang temperatura ng refrigerator ay ganap na zero, kung gayon ang kahusayan ay magiging 100%. Sa ngayon ay wala pang nakakagawa ng mas mahusay.

Sa kasamaang palad, sa pagsasagawa imposibleng bumuo ng gayong makina. Ang tunay na nababaligtad na mga prosesong thermodynamic ay maaari lamang lumapit sa mga perpektong may iba't ibang antas ng katumpakan. Bilang karagdagan, sa isang tunay na makina ng init ay palaging magkakaroon ng pagkawala ng init. Samakatuwid, ang kahusayan nito ay magiging mas mababa kaysa sa isang mainam na makina ng init na tumatakbo ayon sa ikot ng Carnot.

Ang iba't ibang mga teknikal na aparato ay binuo batay sa ikot ng Carnot.

Kung ang Carnot cycle ay ginanap nang baligtad, makakakuha ka ng isang refrigeration machine. Pagkatapos ng lahat, ang gumaganang likido ay unang kukuha ng init mula sa refrigerator, pagkatapos ay i-convert ang trabaho na ginugol sa paglikha ng cycle sa init, at pagkatapos ay ibigay ang init na ito sa pampainit. Gumagana ang mga refrigerator sa prinsipyong ito.

Ang reverse Carnot cycle ay ang batayan din ng mga heat pump. Ang ganitong mga bomba ay naglilipat ng enerhiya mula sa mga pinagmumulan na may mababang temperatura patungo sa isang mamimili na may mas mataas na temperatura. Ngunit, hindi tulad ng isang refrigerator, kung saan ang nakuha na init ay inilabas sa kapaligiran, sa isang heat pump ay inililipat ito sa mamimili.

Pangalawang batas ng thermodynamics

Sa kasaysayan, ang pangalawang batas ng thermodynamics ay lumitaw mula sa pagsusuri ng pagpapatakbo ng mga heat engine (S. Carnot, 1824). Mayroong ilang mga katumbas na pormulasyon. Ang mismong pangalan na "pangalawang batas ng thermodynamics" at sa kasaysayan ang unang pagbabalangkas nito (1850) ay nabibilang kay R. Clausius.

Ang unang batas ng thermodynamics, na nagpapahayag ng batas ng konserbasyon at pagbabago ng enerhiya, ay hindi nagpapahintulot sa amin na itatag ang direksyon ng mga proseso ng thermodynamic. Bilang karagdagan, posible na isipin ang maraming mga proseso na hindi sumasalungat sa unang prinsipyo, kung saan ang enerhiya ay natipid, ngunit sa likas na katangian ay hindi ito nangyayari.

Ipinakikita iyon ng karanasan iba't ibang uri Ang mga enerhiya ay hindi pantay sa kanilang kakayahang ma-convert sa iba pang mga uri ng enerhiya. Ang mekanikal na enerhiya ay maaaring ganap na ma-convert sa panloob na enerhiya ng anumang katawan. Mayroong ilang mga paghihigpit para sa reverse transformation ng panloob na enerhiya sa iba pang mga uri: ang supply ng panloob na enerhiya, sa ilalim ng anumang pagkakataon, ay maaaring ganap na ma-convert sa iba pang mga uri ng enerhiya. Ang mga nabanggit na tampok ng mga pagbabagong-anyo ng enerhiya ay nauugnay sa direksyon ng mga proseso sa kalikasan.

Ang pangalawang batas ng thermodynamics ay isang prinsipyo na nagtatatag ng irreversibility ng macroscopic na mga proseso na nagaganap sa isang may hangganang bilis.

Kabaligtaran sa purong mekanikal (walang friction) o electrodynamic (nang walang paglalabas ng Joule heat) na mga prosesong nababaligtad, mga prosesong nauugnay sa pagpapalitan ng init sa isang may hangganang pagkakaiba ng temperatura (ibig sabihin, dumadaloy sa isang may hangganang bilis), na may friction, pagsasabog ng gas, pagpapalawak ng mga gas sa walang bisa , paglabas ng init ng Joule, atbp., ay hindi maibabalik, ibig sabihin, maaari silang kusang dumaloy sa isang direksyon lamang.

Ang pangalawang batas ng thermodynamics ay sumasalamin sa direksyon natural na proseso at nagpapataw ng mga paghihigpit sa posibleng mga direksyon pagbabagong-anyo ng enerhiya sa mga macroscopic system, na nagpapahiwatig kung aling mga proseso sa kalikasan ang posible at alin ang hindi.

Ang pangalawang batas ng thermodynamics ay isang postulate na hindi mapapatunayan sa loob ng balangkas ng thermodynamics. Ito ay nilikha batay sa isang pangkalahatan ng mga eksperimentong katotohanan at nakatanggap ng maraming pang-eksperimentong kumpirmasyon.

Mga pahayag ng ikalawang batas ng thermodynamics

1). Pagbubuo ng Carnot: ang pinakamataas na kahusayan ng isang heat engine ay hindi nakasalalay sa uri ng gumaganang likido at ganap na tinutukoy ng mga limitasyon ng temperatura, sa pagitan ng kung saan gumagana ang makina.

2). pagbabalangkas ni Clausius: imposible ang isang proseso na ang tanging resulta ay ang paglipat ng enerhiya sa anyo ng init mula sa hindi gaanong init na katawan, sa mas mainit na katawan.

Ang pangalawang batas ng thermodynamics ay hindi nagbabawal sa paglipat ng init mula sa isang hindi gaanong pinainit na katawan patungo sa isang mas pinainit. Ang ganitong paglipat ay nagaganap sa isang makina ng pagpapalamig, ngunit sa parehong oras ang mga panlabas na puwersa ay nagsasagawa ng trabaho sa system, i.e. ang paglipat na ito ay hindi lamang ang resulta ng proseso.

3). Ang pagbabalangkas ni Kelvin: pabilog na proseso ay hindi posible, ang tanging resulta nito ay ang pagbabago ng init, natanggap mula sa pampainit, sa katumbas na gawain.

Sa unang sulyap, maaaring mukhang ang pormulasyon na ito ay sumasalungat sa isothermal expansion ng isang perpektong gas. Sa katunayan, ang lahat ng init na natanggap ng isang perpektong gas mula sa ilang katawan ay ganap na na-convert sa trabaho. Gayunpaman, ang pagkuha ng init at pag-convert nito sa trabaho ay hindi lamang ang resulta ng proseso; Bilang karagdagan, bilang isang resulta ng proseso, ang isang pagbabago sa dami ng gas ay nangyayari.

P.S.: kailangan mong bigyang pansin ang mga salitang "nag-iisang resulta"; ang mga pagbabawal sa ikalawang prinsipyo ay tinanggal kung ang mga prosesong pinag-uusapan ay hindi lamang.

4). Ang pagbabalangkas ni Ostwald: ang pagpapatupad ng isang panghabang-buhay na makina ng paggalaw ng pangalawang uri ay imposible.

Ang isang walang hanggang motion machine ng pangalawang uri ay isang pana-panahong operating device, na gumagana sa pamamagitan ng paglamig ng isang pinagmumulan ng init.

Ang isang halimbawa ng naturang makina ay ang makina ng barko, na kumukuha ng init mula sa dagat at ginagamit ito upang itulak ang barko. Ang ganitong makina ay halos walang hanggan, dahil... reserba ng enerhiya sa kapaligiran halos walang limitasyon.

Mula sa punto ng view ng statistical physics, ang pangalawang batas ng thermodynamics ay istatistika sa kalikasan: ito ay may bisa para sa pinaka-malamang na pag-uugali ng system. Ang pagkakaroon ng mga pagbabago ay pumipigil sa tumpak na pagpapatupad nito, ngunit ang posibilidad ng anumang makabuluhang paglabag ay napakaliit.

Entropy

Ang konsepto ng "entropy" ay ipinakilala sa agham ni R. Clausius noong 1862 at nabuo mula sa dalawang salita: " en"- enerhiya," trope- Pinihit ko ito.

Ayon sa zero law ng thermodynamics, ang isang nakahiwalay na thermodynamic system, sa paglipas ng panahon, ay kusang pumapasok sa isang estado ng thermodynamic equilibrium at nananatili dito sa loob ng walang katapusang mahabang panahon kung ang mga panlabas na kondisyon ay mananatiling hindi nagbabago.

Sa isang estado ng balanse, ang lahat ng mga uri ng enerhiya sa system ay na-convert sa thermal energy ng magulong paggalaw ng mga atomo at molekula na bumubuo sa system. Walang mga macroscopic na proseso ang posible sa naturang sistema.

Ang entropy ay nagsisilbing isang quantitative measure ng paglipat ng isang nakahiwalay na sistema sa isang estado ng balanse. Habang lumilipat ang system sa isang estado ng balanse, ang entropy nito ay tumataas at umabot sa isang maximum kapag naabot na ang estado ng equilibrium.

Ang entropy ay isang function ng estado ng isang thermodynamic system, na tinutukoy ng: .

Teoretikal na background: nabawasan ang init,entropy

Mula sa expression para sa kahusayan ng Carnot cycle: kasunod nito o , kung saan ang dami ng init na ibinibigay ng working fluid sa refrigerator, tinatanggap namin ang: .

Pagkatapos ang huling kaugnayan ay maaaring isulat bilang:

Ang ratio ng init na natanggap ng isang katawan sa isang isothermal na proseso sa temperatura ng heat-releasing body ay tinatawag nabawasan ang dami ng init:

Isinasaalang-alang ang formula (2), ang formula (1) ay maaaring katawanin bilang:

mga. para sa Carnot cycle algebraic sum ng mga ibinigay na halaga ng init ay katumbas ng zero.

Ang pinababang dami ng init na ibinibigay sa katawan sa isang napakaliit na bahagi ng proseso: .

Ang ibinigay na dami ng init para sa isang arbitrary na lugar:

Ang mahigpit na teoretikal na pagsusuri ay nagpapakita na para sa anumang nababaligtad na pabilog na proseso ang kabuuan ng pinababang halaga ng init ay katumbas ng zero:

Mula sa katotohanan na ang integral (4) ay katumbas ng zero, ito ay sumusunod na ang integrand ay ang kumpletong pagkakaiba ng ilang function, na tinutukoy lamang ng estado ng system at hindi nakasalalay sa landas kung saan ang sistema ay dumating dito. estado:

Single-valued na function ng estado, na ang kabuuang pagkakaiba ay ,tinatawag na entropy .

Ang pormula (5) ay may bisa lamang para sa mga prosesong nababaligtad; sa kaso ng mga prosesong hindi maibabalik sa balanse, ang gayong representasyon ay hindi tama.

Mga katangian ng entropy

1). Ang entropy ay tinutukoy hanggang sa isang di-makatwirang pare-pareho. Pisikal na kahulugan wala ang entropy mismo, ngunit ang pagkakaiba sa pagitan ng mga entropi ng dalawang estado:

. (6)

Halimbawa: kung ang isang sistema (ideal na gas) ay gumagawa ng isang equilibrium transition mula sa estado 1 hanggang sa estado 2, kung gayon ang pagbabago sa entropy ay katumbas ng:

,

saan ; .

mga. ang pagbabago sa entropy ng isang perpektong gas sa panahon ng paglipat nito mula sa estado 1 hanggang sa estado 2 ay hindi nakasalalay sa uri ng proseso ng paglipat.

Sa pangkalahatan, sa formula (6), ang pagtaas ng entropy ay hindi nakasalalay sa landas ng pagsasama.

2). Ang ganap na halaga ng entropy ay maaaring itatag gamit ang ikatlong batas ng thermodynamics (Nernst's theorem):

Ang entropy ng anumang katawan ay may posibilidad na zero dahil ang temperatura nito ay may posibilidad na ganap na zero: .

Kaya, ang unang reference point para sa entropy ay kinuha sa .

3). Ang entropy ay isang additive na dami, i.e. Ang entropy ng isang sistema ng ilang katawan ay ang kabuuan ng mga entropi ng bawat katawan: .

4). Tulad ng panloob na enerhiya, ang entropy ay isang function ng mga parameter ng thermodynamic system .

5), Ang isang proseso na nagaganap sa pare-parehong entropy ay tinatawag isentropiko.

Sa mga proseso ng balanse nang walang paglipat ng init, ang entropy ay hindi nagbabago.

Sa partikular, ang isang reversible adiabatic na proseso ay isentropic: para dito; , ibig sabihin. .

6). Sa patuloy na dami, ang entropy ay isang monotonically na pagtaas ng function ng panloob na enerhiya ng katawan.

Sa katunayan, mula sa unang batas ng thermodynamics ay sumusunod na kapag mayroon tayong: , Tapos . Ngunit ang temperatura ay palaging naroroon. Samakatuwid, ang mga pagdaragdag ay may parehong tanda, bilang kinakailangan upang mapatunayan.

Mga halimbawa ng mga pagbabago sa entropy sa iba't ibang proseso

1). Sa panahon ng isobaric expansion ng isang ideal na gas

2). Sa panahon ng isochoric expansion ng isang ideal na gas

3). Sa panahon ng isothermal expansion ng isang perpektong gas

.

4). Sa mga phase transition

Halimbawa: hanapin ang pagbabago sa entropy kapag ang isang masa ng yelo sa temperatura ay na-convert sa singaw.

Solusyon

Unang batas ng thermodynamics: .

Mula sa Mendeleev–Clapeyron equation ito ay sumusunod: .

Pagkatapos ang mga expression para sa unang batas ng thermodynamics ay kukuha ng anyo:

.

Kapag lumipat mula sa isa estado ng pagsasama-sama sa isa pa, ang kabuuang pagbabago sa entropy ay binubuo ng mga pagbabago sa mga indibidwal na proseso:

A). Pag-init ng yelo mula sa temperatura hanggang sa natutunaw na punto:

, kung saan ang tiyak na kapasidad ng init ng yelo.

B). Natutunaw na yelo: , kung saan ang tiyak na init ng pagkatunaw ng yelo.

SA). Pag-init ng tubig mula sa temperatura hanggang sa kumukulo:

, kung saan ang tiyak na kapasidad ng init ng tubig.

G). Pagsingaw ng tubig: , kung saan ay ang tiyak na init ng singaw ng tubig.

Kung gayon ang kabuuang pagbabago ng entropy ay:

Ang prinsipyo ng pagtaas ng entropy

Entropy ng isang closed system para sa anuman ang mga prosesong nagaganap dito ay hindi bumababa:

o para sa panghuling proseso: , samakatuwid: .

Ang pantay na tanda ay tumutukoy sa isang nababaligtad na proseso, ang hindi pagkakapantay-pantay na tanda ay tumutukoy sa isang hindi maibabalik na proseso. Ang huling dalawang formula ay pagpapahayag ng matematika pangalawang batas ng thermodynamics. Kaya, ang pagpapakilala ng konsepto ng "entropy" ay naging posible upang mahigpit na mathematically bumalangkas ng pangalawang batas ng thermodynamics.

Ang mga hindi maibabalik na proseso ay humahantong sa pagtatatag ng isang estado ng balanse. Sa ganitong estado, ang entropy ng nakahiwalay na sistema ay umabot sa pinakamataas nito. Walang mga macroscopic na proseso ang posible sa naturang sistema.

Ang magnitude ng pagbabago ng entropy ay isang katangian ng husay ng antas ng hindi maibabalik na proseso.

Ang prinsipyo ng pagtaas ng entropy ay nalalapat sa mga nakahiwalay na sistema. Kung ang sistema ay hindi nakahiwalay, ang entropy nito ay maaaring bumaba.

Konklusyon: kasi Dahil ang lahat ng tunay na proseso ay hindi maibabalik, kung gayon ang lahat ng mga proseso sa isang saradong sistema ay humahantong sa pagtaas ng entropy nito.

Teoretikal na pagbibigay-katwiran ng prinsipyo

Isaalang-alang natin ang isang saradong sistema na binubuo ng isang pampainit, isang refrigerator, isang gumaganang likido at isang "consumer" ng gawaing isinagawa (isang katawan na nagpapalitan ng enerhiya sa gumaganang likido lamang sa anyo ng trabaho), na gumaganap ng isang Carnot cycle. Ito ay isang nababaligtad na proseso, ang pagbabago sa entropy nito ay katumbas ng:

,

nasaan ang pagbabago sa entropy ng working fluid; - pagbabago sa entropy ng pampainit; – pagbabago sa entropy ng refrigerator; – pagbabago sa entropy ng "consumer" ng trabaho.

Ang pangalawang batas ng thermodynamics ay nauugnay sa mga pangalan ng N. Carnot, W. Thomson (Kelvin), R. Clausius, L. Boltzmann, W. Nernst.

Ang pangalawang batas ng thermodynamics ay nagpapakilala ng isang bagong function ng estado - entropy. Ang terminong "entropy", iminungkahi ni R. Clausius, ay nagmula sa Griyego. entropia at nangangahulugang "pagbabago".

Angkop na ipakita ang konsepto ng "entropy" sa pormulasyon ng A. Sommerfeld: "Ang bawat thermodynamic system ay may function ng estado na tinatawag na entropy. Ang entropy ay kinakalkula tulad ng sumusunod. Ang sistema ay inililipat mula sa isang arbitraryong napiling paunang estado patungo sa katumbas na huling estado sa pamamagitan ng pagkakasunod-sunod ng mga estado ng balanse; lahat ng bahagi ng init dQ na isinasagawa sa system ay kinakalkula at ang bawat isa ay hinati sa katumbas nitong ganap na temperatura T, at lahat ng mga halaga na nakuha ay summed up (ang unang bahagi ng pangalawang batas ng thermodynamics). Sa panahon ng tunay (hindi-ideal) na mga proseso, ang entropy ng isang nakahiwalay na sistema ay tumataas (ang pangalawang bahagi ng ikalawang batas ng thermodynamics)."

Ang accounting at pag-iimbak ng dami ng enerhiya ay hindi pa sapat upang hatulan ang posibilidad ng isang partikular na proseso. Ang enerhiya ay dapat na nailalarawan hindi lamang sa dami, kundi pati na rin sa kalidad. Mahalaga na ang enerhiya ng isang tiyak na kalidad ay maaaring kusang magbago lamang sa enerhiya na may mas mababang kalidad. Ang dami na tumutukoy sa kalidad ng enerhiya ay entropy.

Ang mga proseso sa buhay at walang buhay na bagay ay karaniwang nagpapatuloy sa paraan na ang entropy sa mga closed isolated system ay tumataas, at ang kalidad ng enerhiya ay bumababa. Ito ang kahulugan ng pangalawang batas ng thermodynamics.

Kung tinutukoy natin ang entropy ng S, kung gayon

na tumutugma sa unang bahagi ng ikalawang batas ayon kay Sommerfeld.

Maaari mong palitan ang expression para sa entropy sa equation ng unang batas ng thermodynamics:

dU=T×dS – dU.

Ang pormula na ito ay kilala sa panitikan bilang ang ratio ng Gibbs. Pinagsasama ng pangunahing equation na ito ang una at pangalawang batas ng thermodynamics at mahalagang tumutukoy sa lahat ng equilibrium thermodynamics.

Ang pangalawang prinsipyo ay nagtatatag ng isang tiyak na direksyon para sa daloy ng mga proseso sa kalikasan, iyon ay, ang "arrow ng oras."

Ang pinakamalalim na kahulugan ng entropy ay ipinahayag sa static na pagtatasa ng entropy. Alinsunod sa prinsipyo ni Boltzmann, ang entropy ay nauugnay sa posibilidad ng estado ng system sa pamamagitan ng kilalang kaugnayan.

S=K × LnW,

saan W ay ang thermodynamic probability, at SA– Boltzmann pare-pareho.

Ang thermodynamic probability, o static weight, ay nauunawaan bilang ang bilang ng iba't ibang distribusyon ng mga particle kasama ang mga coordinate at velocities na tumutugma sa isang ibinigay na termodynamic na estado. Para sa anumang proseso na nangyayari sa isang nakahiwalay na sistema at inilipat ito mula sa estado 1 hanggang sa estado 2, ang pagbabago Δ W ang thermodynamic probability ay positibo o katumbas ng zero:

ΔW = W 2 – W 1 ≥ 0

Sa kaso ng isang nababaligtad na proseso, ang ΔW = 0, iyon ay, ang thermodynamic na posibilidad, ay pare-pareho. Kung ang isang hindi maibabalik na proseso ay nangyari, pagkatapos ay Δ W> 0 at W nadadagdagan. Nangangahulugan ito na ang isang hindi maibabalik na proseso ay naglilipat ng sistema mula sa isang mas malamang na estado patungo sa isang mas malamang. Ang pangalawang batas ng thermodynamics ay isang istatistikal na batas; inilalarawan nito ang mga pattern ng magulong paggalaw ng isang malaking bilang ng mga particle na bumubuo sa isang saradong sistema, iyon ay, ang entropy ay nagpapakilala sa sukatan ng kaguluhan, randomness ng mga particle sa system.

Tinukoy ni R. Clausius ang pangalawang batas ng thermodynamics tulad ng sumusunod:

Ang isang pabilog na proseso ay imposible, ang tanging resulta nito ay ang paglipat ng init mula sa isang hindi gaanong pinainit na katawan patungo sa isang mas pinainit (1850).

Kaugnay ng pagbabalangkas na ito, sa kalagitnaan ng ika-19 na siglo. natukoy ang problema ng tinatawag na thermal death ng Universe. Isinasaalang-alang ang Uniberso bilang isang saradong sistema, si R. Clausius, na umaasa sa pangalawang batas ng termodinamika, ay nagtalo na sa malao't madali ang entropy ng Uniberso ay dapat maabot ang pinakamataas nito. Ang paglipat ng init mula sa mas pinainit na katawan patungo sa hindi gaanong pinainit ay hahantong sa katotohanan na ang temperatura ng lahat ng mga katawan sa Uniberso ay magiging pareho, ang kumpletong thermal equilibrium ay magaganap at ang lahat ng mga proseso sa Uniberso ay titigil - ang thermal pagkamatay ng Ang uniberso ay magaganap.

Ang kamalian ng konklusyon tungkol sa thermal death ng Uniberso ay nakasalalay sa katotohanan na imposibleng ilapat ang pangalawang batas ng thermodynamics sa isang sistema na hindi isang saradong sistema, ngunit isang walang katapusang pagbuo ng sistema. Ang Uniberso ay lumalawak, ang mga kalawakan ay nagkakalat sa bilis na tumataas. Ang uniberso ay hindi nakatigil.

Ang pagbabalangkas ng ikalawang batas ng thermodynamics ay batay sa mga postulate na resulta ng mga siglo ng karanasan ng tao. Bilang karagdagan sa nabanggit na postulate ni Clausius, ang pinakatanyag ay ang postulate ni Thomson (Kelvin), na nagsasalita tungkol sa imposibilidad ng pagbuo ng isang walang hanggang heat engine ng pangalawang uri (perpetuum mobile), iyon ay, isang makina na ganap. ginagawang trabaho ang init. Ayon sa postulate na ito, sa lahat ng init na natanggap mula sa isang mapagkukunan ng init na may mataas na temperatura - isang heat sink, isang bahagi lamang ang maaaring ma-convert sa trabaho. Ang natitira ay dapat dalhin sa isang heat sink na may medyo mababang temperatura, iyon ay, para sa pagpapatakbo ng isang heat engine, kinakailangan upang kahit na dalawang pinagmumulan ng init ng magkaibang temperatura.

Ipinapaliwanag nito ang dahilan kung bakit imposibleng i-convert ang init ng atmospera sa paligid natin o ang init ng mga dagat at karagatan sa trabaho sa kawalan ng parehong malakihang pinagmumulan ng init na may mas mababang temperatura.