Общая характеристика и формулировка второго закона термодинамики

Содержание

 

Введение 3

1. Понятии  и общая характеристика энтропии 4

2. Принцип  возрастания энтропии 5

3. Общая характеристика  и формулировка второго закона  термодинамики 7

Заключение. 11

Список литературы 12

 

 

Введение

 

В настоящее время теплосиловые и тепловые установки получили широкое  распространение в различных  отраслях народного хозяйства. На промышленных предприятиях они составляют основную важнейшую часть технологического оборудования.

Наука, изучающая методы использования  энергии топлива, законы процессов  изменения состояния вещества, принципы работы различных машин и аппаратов, энергетических и технологических  установок, называется теплотехникой. Теоретическими основами теплотехники являются термодинамика и теория теплообмена.

Термодинамика опирается на фундаментальные  законы (начала), которые являются обобщением наблюдений над процессами, протекающими в природе независимо от конкретных свойств тел. Этим объясняется универсальность  закономерностей и соотношений  между физическими величинами, получаемых при термодинамических исследованиях.

Первый закон термодинамики характеризует и описывает процессы превращения энергии с количественной стороны и дает все необходимое для составления энергетического баланса любой установки или процесса.

Второй закон термодинамики, являясь важнейшим законом природы, определяет направление, по которому протекают термодинамические процессы, устанавливает возможные пределы превращения теплоты в работу при круговых процессах, позволяет дать строгое определение таких понятий, как энтропия, температура и т.д.

В качестве третьего начала термодинамики принимается принцип недостижимости абсолютного нуля.

В теории теплообмена изучаются  закономерности переноса теплоты из одной области пространства в  другую. Процессы переноса теплоты  представляют собой процессы обмена внутренней энергией между элементами рассматриваемой системы в форме  теплоты.

1. Понятии и общая характеристика  энтропии

 

Несоответствие между превращением теплоты в работу и работы в  теплоту приводит к односторонней  направленности реальных процессов  в природе, что и отражает физический смысл второго начала термодинамики  в законе о существовании и  возрастании в реальных процессах  некой функции, названной энтропией, определяющей меру обесценения энергии. 
Часто второе начало термодинамики преподносится как объединенный принцип существования и возрастания энтропии.

 Принцип существования энтропии формулируется как математическое выражение энтропии термодинамических систем в условиях обратимого течения процессов:

Общая характеристика: Энтропия (греч. en в, внутрь + trope поворот, превращение) - одна из величин, характеризующих тепловое состояние тела или системы тел; мера внутренней неупорядоченности системы; при всех процессах, происходящих в замкнутой системе, энтропия или возрастает (необратимые процессы), или остается постоянной (обратимые процессы).

Впервые понятие энтропии было введено  немецким физиком Рудольфом Клаузиусом в середине прошлого века. Он и английский лорд Вильям Томсон (Кельвин) открыли  второе начало термодинамики и сделали  из него неожиданные выводы. Это  начало устанавливает наличие в  природе фундаментальной асимметрии, то есть однонаправленности всех происходящих в ней самопроизвольных процессов. Об этой асимметрии свидетельствует  все окружающее нас: горячие тела с течением времени охлаждаются, однако холодные сами по себе отнюдь не становятся горячими; прыгающий мяч  в конце концов останавливается, однако покоящийся мяч самопроизвольно  не начнет подскакивать. Здесь проявляется  то свойство природы, которое Кельвин  и Клаузиус смогли отделить от свойства сохранения энергии. Оно состоит  в том, что, хотя полное количество энергии  должно сохраняться в любом процессе, распределение имеющейся энергии  изменяется необратимым образом. Второе начало термодинамики указывает естественное направление, в котором происходит изменение распределения энергии, причем это направление совершенно не зависит от ее общего количества. При всех превращениях различные виды энергии в конечном счете переходят в тепло, которое, будучи предоставлено себе, рассеивается в мировом пространстве. Так как такой процесс рассеяния тепла необратим, то рано или поздно все звезды погаснут, все активные процессы в Природе прекратятся, и наступит состояние, которое Клаузиус назвал "тепловой смертью" Вселенной.

В ходе рассуждений о "тепловой смерти" Вселенной Клаузиус ввел некоторую математическую величину, названную им энтропией. По сути дела энтропия служит мерой степени беспорядка, степени хаотичности состояния  физической системы. Второе начало термодинамики  гласит, что энтропия изолированной  физической системы никогда не убывает, - в крайнем случае она может  сохранять свое значение неизменным.

2. Принцип возрастания энтропии

 

Всякие естественные процессы сопровождаются возрастанием энтропии Вселенной; такое  утверждение часто называют принципом  энтропии. 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.

Возрастание энтропии является характерным  признаком естественных процессов  и соответствует запасанию энергии  при более низких температурах. Аналогично можно сказать, что естественное направление процессов изменения  характеризуется понижением качества энергии.

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.

 Принцип возрастания энтропии  сводится к утверждению, что  энтропия изолированных систем  неизменно возрастает при всяком  изменении их состояния и остается  постоянной лишь при обратимом  течении процессов: 
Оба вывода о существовании и возрастании энтропии получаются на основе какого-либо постулата, отражающего необратимость реальных процессов в природе. Наиболее часто в доказательстве объединенного принципа существования и возрастания энтропии используют постулаты Р.Клаузиуса, В.Томпсона-Кельвина, М.Планка.

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.

В связи с этим принципы существования  и возрастания энтропии рассматриваются  раздельно и математические выражения  их для любых тел получаются на базе различных постулатов.

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

3. Общая характеристика и формулировка  второго закона термодинамики

 

 Естественные процессы всегда направлены в сторону достижения системой равновесного состояния (механического, термического или любого другого). Это явление отражено вторым законом термодинамики, имеющим большое значение и для анализа работы теплоэнергетических машин. В соответствии с этим законом, например, теплота самопроизвольно может переходить только от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой. Для осуществления обратного процесса должна быть затрачена определенная работа. В связи с этим второй закон термодинамики можно сформулировать следующим образом: невозможен процесс, при котором теплота переходила бы самопроизвольно от тел более холодных к телам более теплым (постулат Клаузиуса, 1850 г.).

 Второй закон термодинамики  определяет также условия, при  которых теплота может, как  угодно долго преобразовываться  в работу. В любом разомкнутом  термодинамическом процессе при  увеличении объема совершается  положительная работа: где l - конечная  работа, v1 и v2 - соответственно начальный  и конечный удельный объем; 
но процесс расширения не может продолжаться бесконечно, следовательно, возможность преобразования теплоты в работу ограничена. 
Непрерывное преобразование теплоты в работу осуществляется только в круговом процессе или цикле.

Каждый элементарный процесс, входящий в цикл, осуществляется при подводе  или отводе теплоты dQ, сопровождается совершением или затратой работы, увеличением или уменьшением  внутренней энергии, но всегда при выполнении условия dQ=dU+dL и dq=du+dl, которое показывает, что без подвода теплоты (dq=0) внешняя  работа может совершаться только за счет внутренней энергии системы, и, подвод теплоты к термодинамической  системе определяется термодинамическим  процессом. Интегрирование по замкнутому контуру: Здесь QЦ и LЦ - соответственно теплота, превращенная в цикле в  работу, и работа, совершенная рабочим  телом, представляющая собой разность |L1| - |L2| положительных и отрицательных  работ элементарных процессов цикла.

 Элементарное количество теплоты  можно рассматривать как подводимое (dQ>0) и отводимое (dQ<0) от рабочего  тела. Сумма подведенной теплоты  в цикле |Q1|, а сумма отведенной  теплоты |Q2|. Следовательно, LЦ=QЦ=|Q1| - |Q2|.

Подвод количества теплоты Q1 к рабочему телу возможен при наличии внешнего источника с температурой выше температуры  рабочего тела. Такой источник теплоты  называется горячим. Отвод количества теплоты Q2 от рабочего тела также возможен при наличии внешнего источника  теплоты, но с температурой более  низкой, чем температура рабочего тела. Такой источник теплоты называется холодным. Таким образом, для совершения цикла необходимо иметь два источника  теплоты: один с высокой температурой, другой с низкой. При этом не все  затраченное количество теплоты Q1 может  быть превращено в работу, так как  количество теплоты Q2 передается холодному  источнику.

 

 

Условия работы теплового двигателя сводятся к  следующим:

- необходимость двух источников  теплоты (горячего и холодного);

- циклическая работа двигателя;

- передача части количества  теплоты, полученной от горячего  источника, холодному без превращения  ее в работу.

В связи с этим второму закону термодинамики можно дать еще  несколько формулировок:

* передача теплоты от холодного  источника к горячему невозможна  без затраты работы;

* невозможно построить периодически  действующую машину, совершающую  работу и соответственно охлаждающую  тепловой резервуар;

* природа стремится к переходу  от менее вероятных состояний  к более вероятным.

Следует подчеркнуть, что второй закон  термодинамики (так же как и первый), сформулирован на основе опыта.

В наиболее общем виде второй закон  термодинамики может быть сформулирован  следующим образом: любой реальный самопроизвольный процесс является необратимым. Все прочие формулировки второго закона являются частными случаями наиболее общей формулировки.

В.Томсон (лорд Кельвин) предложил  в 1851 г. следующую формулировку: невозможно при помощи неодушевленного материального агента получить от какой-либо массы вещества механическую работу посредством охлаждения ее ниже температуры самого холодного из окружающих предметов.

М.Планк предложил формулировку более четкую, чем формулировка Томсона: невозможно построить периодически действующую машину, все действие которой сводилось бы к понятию  некоторого груза и охлаждению теплового  источника. Под периодически действующей  машиной следует понимать двигатель, непрерывно (в циклическом процессе) превращающий теплоту в работу. В  самом деле, если бы удалось построить  тепловой двигатель, который просто отбирал бы теплоту от некоторого источника и непрерывно (циклично) превращал его в работу, то это противоречило бы положению о том, что работа может производиться системой только тогда, когда в этой системе отсутствует равновесие (в частности, применительно к тепловому двигателю - когда в системе имеется разность температур горячего и холодного источников).