Вопрос 6. Второй закон термодинамики

Второй закон термодинамики

Второй закон термодинамики определяет условия протекания самопроизвольных процессов. Его первоначальные формулировки касались описания работы тепловых машин. Некоторые из них:

Постулат Клаузиуса: невозможен самопроизвольный переход теплоты от менее нагретого тела к более нагретому телу.

Постулат Оствальда: невозможно создать такую тепловую машину, которая ВСЮ поглощённую теплоту превращает в работу (вечный двигатель второго рода).

Общенаучная формулировка второго закона термодинамики:

Существует функция состояния системы (энтропия), изменение которой следующим образом связано с поглощённой теплотой и температурой системы:

δQ ≤ TdS для самопроизвольных процессов,

δQ = TdS для обратимых процессов,

δQ ≥ TdS для несамопроизвольных процессов.

Второй закон термодинамики позволяет определить направление протекания химических реакций и условия установления химического равновесия.

Понятие энтропии и её свойства

Энтропия — мера рассеяния энергии. Это понятие также было введено Клаузиусом, который развил и облек второй принцип термодинамики в математическую форму: dS=d’Q/T. Энтропию стали называть «тенью» энергии.

Свойства энтропии:

1. Итак, энтропия - функция состояния. Если процесс проводят вдоль адиабат, то энтропия системы не меняется. Значит адиабаты -это одновременно и изоэнтропы. Каждой более "высоко" расположенной адиабате (изоэнтропе) отвечает большее значение энтропии. В этом легко убедиться, проведя изотермический процесс между точками 1 и 2, лежащими на разных адиабатах (*см. рис.).

В этом процессе Т=const, поэтому S2-S1=Q/T. Для идеального газа Q равно работе А, совершаемой системой. А так как А>0, значит S2>S1.

Таким образом, зная, как выглядит система адиабат. Можно легко ответить на вопрос о приращении энтропии при проведении любого процесса между интересующими нас равновесными состояниями 1 и 2.

2.Энтропия- величина аддитивная: энтропия макросистемы равна сумме энтропий ее отдельных частей.

3.Одно из важнейших свойств энтропии заключается в том, что энтропия замкнутой (т.е. теплоизолированной) макросистемы не уменьшается - она либо возрастает, либо остается постоянной. Если же система не замкнута, то ее энтропия может как увеличиваться, так и уменьшаться.

Цикл Карно

Даже в идеальной тепловой машине нельзя всю теплоту перевести в работу, часть ее все равно перейдет к теплоприемнику. Доля теплоты, перешедшей к теплоприемнику, зависит от T1 и T2, т.е.1

η = ƒ (T1,T2)

η = 1, если температура холодильника равна нулю (T2 = 0)

η = 0, если T1 = T2

Для бесконечно малого цикла Карно аналогичное выражение приобретает вид:

Все представленные выводы основаны на первом начале т/д. Второй пока не использован.

Цикл Карно можно провести и в обратном направлении, будет проведена работа за счет внешнего источника, теплота будет поглощаться при более низкой температуре, а выделяться при более высокой тепловой …. Все выводы ограничены тем, что рабочее тело - идеальный газ. Освободиться от ограничения позволяет второе начало термодинамики.

Теорема Карно

ПД цикла Карно не зависит от природы рабочего вещества. Поместим между приемником и отдачником два вещества: идеальный газ и просто газ.

Можно за счет работы первой машины заставить вторую работать в обратном направлении, взято у первой машины и отдано второй одинаковое количество теплоты Q1 = Q1'.

Но т.к. Q2' нельзя забрать у холодильника больше, чем дало Q2.

⇒ η1 = η2

Вывод: КПД машины, работающей по циклу Карно, не зависит от свойств рабочего вещества, а зависит от температуры холодильника и нагревателя.

Расчет изменения энтропии для различных процессов