Классическая термодинамика – это наука о передачи, распространении и соотношении и превращении теплоты и других форм энергии

Самым очевидным являлся факт, что распространение тепла представляет собой необратимый процесс. К примеру, тепло, возникшее в результате трения или какой-либо механической работы невозможно снова превратить в энергию и использовать для производства работы.

Первый закон термодинамики - Р.Клаузиус (1822-1888): Если к системе подводится тепло (Q) и в ней производится работа (А), то внутренняя энергия всей системы возрастет до величины (U).

U = Q + A

Внутренняя энергия системы (U) показывает, что тепло полученное системой не исчезает, а затрачивается на увеличение внутренней энергии. Величину внутренней энергии можно увеличить двумя эквивалентными способами: произведя над телом механическую работу (А) или сообщая телу количество теплоты (Q)

. ∆U = А + Q.

Работа (А) может быть определена как мера изменения энергии системы. Работа может быть произведена за счет приложения силы к телу или за счет уменьшения потенциальной энергии тела и перехода ее в кинетическую энергию .

Теплота (Q) есть проявление кинетического движения молекул. Поэтому понятие теплоты и работы рассматривают как эквивалентные и выражают в Джоулях (Дж). Единица измерения теплоты, дожившая с тех времен до наших дней – “калория”.

В 1827 году был сделан вывод о том, что теплота и механическая работа обратимы одна в другую.

Всеми явлениями природы управляет закон сохранения ипревращения энергииЮ. Р.Майера (1814-1878): энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает бесследно; количество энергии в природе неизменно, она только переходит из одной формы в другую.

Первая формулировка второго закона термодинамики принадлежит Жозефу Фурье: количество теплоты переносится от тел с большей температурой к телам с меньшей температурой. Обратный процесс невозможен. Это приводит к выравниванию температуры во всех точках пространства изолированной системы.

Было показано, что явление теплопроводности представляет собой необратимый процесс.

Так, нельзя произвести работу исключительно за счет изъятия тепла из одного замкнутого резервуара при постоянной температуре. Невозможно произвести работу за счет, например, охлаждения озера или моря при установившейся там температуре и с учетом того, что это замкнутые системы. Подобные факты и легли в основу формулировки второго закона термодинамики.

Вторую формулировку второго закона термодинамики предложил Р.Клаузиус:

Энтропия замкнутойсистемы ( то есть системы, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией, ни информацией) при протекании в нейнеобратимых процессов постоянно возрастает.

Понятие энтропии было введено Р.Клаузиусом. В переводе с греческого энтропия означает “поворот”, “превращение”. Энтропия означает хаос, беспорядок, дезорганизацию в системе. Энтропия также означает постепенное «забвение» частицами первоначальной асимметрии и переход к состоянию симметрии и энергетического выравнивания.

Энтропия в замкнутой системе при протекании обратимых процессов (например, колебательных) постоянна (S = const), она то увеличивается, то уменьшается.

Л.Больцман (1844-1906) связал понятие энтропии с вероятностью состояния системы. Энтропия (S) есть логарифм вероятности состояния системы. М.Планк вывел следующую формулу определения энтропии:

S = k ln W

где S – энтропия, k – коэффициент пропорциональности или постоянная Больцмана (k = 1,380662 x 10^-23 Дж/К),k = (R- газовая постоянная, показывающая работу 1 моля вещества, а N_a – число Авагадро, отражающее количество молекул в одном моле вещества), W – статистический вес системы или термодинамическая вероятность макроскопического состояния системы.

Для пояснения приведу следующий пример. Пусть имеется сосуд с молекулами газа. Загоним все молекулы газа в сосуде при помощи перегородки в верхней части сосуда. Тогда остальные сосуда останутся пустыми. Далее уберем перегородку и увидим, что молекулы займут весь объем сосуда, то есть перейдут из состояния с меньшей вероятностью в состояние с большей вероятностью. Таким образом, процессы в системе идут только в одном направлении от некоторой структуры (порядка) к полному беспорядку, симметрии, когда молекулы могут занимать любые точки пространства. В данном примере статистический вес, то есть число способов, которым может быть реализовано это хаотическое состояние – максимальный.

Энтропия в замкнутой системе при протекании необратимых процессов (например, тепловых) постоянно возрастает, пока не достигнет точки термодинамического равновесия, то есть такой точки, в которой всякая работа становится невозможной.

Об изменении закрытых систем в классической термодинамике мы судим по увеличению их энтропии. Последняя таким образом, выступает в качестве своеобразной стрелывремени. Чем выше энтропия системы, тем больший промежуток времени прошла система в своей эволюции.