Начала термодинамики. Принцип возрастания энтропии

Концепции современного естествознания

Парфентьева Юлия Васильевна

Группа Э-331

Начала термодинамики. Принцип возрастания энтропии.

Мы постоянно сталкиваемся не только с механическими движениями, но и с тепловыми явлениями, которые связаны с изменением температуры тела или переходом веществ в различное агрегатное состояние - жидкое, газообразное или твёрдое. Тепловые процессы имеют огромное значение для существования жизни на Земле, можно даже сказать, что жизнь на Земле зависит от температуры окружающей среды.

Термодинамика появилась  на свет благодаря тому, что люди захотели подчинить себе "движущую силу огня", для чего нужно было создать эффективную паровую  машину. Поэтому сначала термодинамика  занималась исследованием теплоты. Однако в дальнейшем наука существенно  расширилась и стала теорией  о превращениях всех форм энергии. В  таком виде термодинамика существует и по сей день.

Термодинамика основана на небольшом числе утверждений, которые  в сжатой форме вобрали в себя огромный опыт людей по изучении энергии. Эти утверждения носят название законов или начал термодинамики. Всего их   насчитывается 4 закона (начала). Первым по времени было сформулировано второе начало, последним нулевое. А между ними были установлены первое и третье начала термодинамики.

Нулевое начало термодинамики было сформулировано около ста лет назад и оно утверждает что:

" Изолированная термодинамическая система с течением времени самопроизвольно переходит в состояние термодинамического равновесия и остаётся в нём сколь угодно долго, если внешние условия сохраняются неизменными"

Наглядной иллюстрацией этого  является охлаждение теплого молока в холодильнике. Сразу после того, как мы ставим пакет с молоком в холодильник, термодинамическое равновесие нарушается, поскольку нулевой закон не выполняется. Но постепенно происходит охлаждение пакета и он принимает температуру, поддерживаемую внутри холодильника. Система возвращается в состояние равновесия.

Первое начало термодинамики было сформулировано Кельвином в середине 19 века. Кратко оно было сформулировано так:

"в любой изолированной системе запас энергии остаётся постоянным"

Кельвин дал такую  формулировку, потому что она отвечала его религиозным воззрениям. Он считал, что Творец в момент создания Вселенной  наделил ее запасом энергии, и  этот божественный дар будет существовать вечно.

Ирония ситуации заключается в следующем. Согласно теории расширяющейся Вселенной, полная энергия Вселенной действительно  постоянна, но равна при этом нулю. Положительная часть энергии  Вселенной, эквивалентная массе  существующих во Вселенной частиц, может быть в точности скомпенсирована  отрицательной частью энергии, обусловленной  гравитационным потенциалом поля притяжения.

Второе начало термодинамики было сформулировано в середине 18 века и оно гласит:

"Теплота не может самопроизвольно переходить от тела менее нагретого к телу более нагретому"

Если сравнивать между  собой первое и второе начала термодинамики, то можно сказать так: первое начало термодинамики запрещает создание вечного двигателя первого рода, а второе начало термодинамики запрещает  создание вечного двигателя второго  рода.

Вечный двигатель первого  рода - это двигатель, который совершает работу, не черпая энергию из какого-либо источника.

Вечный двигатель второго  рода - это двигатель, который имеет коэффициент полезного действия, равный единице. Это такой двигатель который превращает в работу все сто процентов теплоты.

Третье начало термодинамики или теорема Нернста утверждает что:

"Энтропия любой равновесной системы по мере приближения температуры к абсолютному нулю перестает зависеть от каких-либо параметров состояния и стремится к определённому пределу"

Фактически содержание теоремы Нернста включает в себя два положения. Первое из них постулирует  существование предела энтропии при стремлении к абсолютному  нулю. Численное значение этого предела  принято полагать равным нулю, поэтому  в литературе иногда говорят о  том, что энтропия системы стремится  к нулю при стремлении температуры  к 0 К. Второе положение теоремы Нернста  утверждает, что все процессы вблизи абсолютного нуля, переводящие систему  из одного равновесного состояния в  другое, происходят без изменения  энтропии.

Принцип возрастания энтропии сводится к утверждению, что энтропия изолированных систем неизменно возрастёт при всяком изменении их состояния и остаётся постоянной лишь при обратном течении процессов. Также энтропия характеризует условия, при которых запасается энергия: если энергия запасается при высокой температуре, ее энтропия относительно низка, а качество, напротив, высоко. С другой стороны, если то же количество энергии запасается при низкой температуре, то энтропия, связанная с этой энергией, велика, а ее качество - низко.

Такое истолкование связи  энергии и энтропии, при котором  энтропия характеризует условия  запасания и хранения энергии, имеет  большое практическое значение. Первое начало термодинамики утверждает, что  энергия изолированной системы (а  возможно, и всей Вселенной) остается постоянной. Поэтому, сжигая ископаемое топливо - уголь, нефть, уран - мы не уменьшаем  общих запасов энергии. В этом смысле энергетический кризис вообще невозможен, так как энергия в  мире всегда будет оставаться неизменной. Однако, сжигая горсть угля и каплю  нефти, мы увеличиваем энтропию мира, поскольку все названные процессы протекают самопроизвольно. Любое  действие приводит к понижению качества энергии Вселенной. Поскольку в  промышленно развитом обществе процесс  использования ресурсов стремительно ускоряется, то энтропия Вселенной  неуклонно возрастает. Нужно стремиться направить развитие цивилизации  по пути снижения уровня производства энтропии и сохранения качества энергии.

В действительности принципы существования и возрастания  энтропии ничего общего не имеют. Физическое содержание: принцип существования  энтропии характеризует термодинамические  свойства систем, а принцип возрастания  энтропии - наиболее вероятное течение  реальных процессов. Математическое выражение  принципа существования энтропии - равенство, а принципа возрастания - неравенство. Области применения: принцип существования энтропии и вытекающие из него следствия используют для изучения физических свойств  веществ, а принцип возрастания  энтропии - для суждения о наиболее вероятном течении физических явлений. Философское значение этих принципов также различно.

Вывод о существовании  абсолютной температуры и энтропии как термодинамических функций  состояния любых тел и систем составляет основное содержание второго  закона термодинамики и распространяется на любые процессы - обратимые и  необратимые.