ВТОРО́Е НАЧА́ЛО ТЕРМОДИНА́МИКИ
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
ВТОРО́Е НАЧА́ЛО ТЕРМОДИНА́МИКИ, один из осн. законов термодинамики, устанавливающий необратимость реальных термодинамич. процессов. В. н. т. сформулировано как закон природы H. Л. С. Карно в 1824, P. Клаузиусом в 1850 и У. Томсоном (Кельвином) в 1851 в различных, но эквивалентных формулировках. В. н. т. в формулировке Клаузиуса утверждает, что процесс, при котором не происходит никаких изменений, кроме передачи теплоты от горячего тела к холодному, необратим, т. е. теплота не может самопроизвольно переходить от более холодного тела к более горячему (принцип Клаузиуса). Согласно формулировке Томсона, процесс, при котором работа переходит в теплоту без к.-л. иных изменений состояния системы, необратим, т. е. невозможно полностью преобразовать в работу всю теплоту, взятую от тела, не производя никаких др. изменений состояния системы (принцип Tомсона). Принцип Томсона эквивалентен утверждению о невозможности вечного двигателя 2-го рода. В. н. т. можно сформулировать также в виде принципа Каратеодори: вблизи любого состояния термодинамич. равновесия и сколь угодно близко к нему существует состояние, в которое нельзя попасть при помощи адиабатич. процесса. Из невозможности вечного двигателя 2-го рода следует Карно теорема. На основании теоремы Карно удаётся построить шкалу абсолютной температуры. Рассматривая циклич. процесс, при котором система получает ($δQ>0$) или отдаёт ($δQ<0$) малые количества теплоты $δQ $ при абсолютной температуре $T$, можно сформулировать В. н. т. в виде неравенства Клаузиуса: $\ointδQ/T⩽ 0$, где интеграл берётся по замкнутому циклу. Знак равенства (здесь и ниже) относится к обратимым (квазистатическим) процессам (равенство Клаузиуса). Из равенства Клаузиуса следует, что для обратимого процесса $dS=δQ/T $ есть полный дифференциал функции состояния $S$, называемой энтропией. Поэтому В. н. т. можно сформулировать в виде неравенства в дифференциальной форме: $dS⩾δQ/T$, или в интегральной форме: $S_B-S_A ⩾ \int_A^B δQ/T$ (где $S_A$ и $S_B$ – энтропии начального и конечного состояний системы). Из этого неравенства следует, что для адиабатически изолированной системы ($δQ=0$) при необратимых процессах энтропия возрастает ($dS>0$), а при обратимых – остаётся неизменной ($dS=0$). Если учесть первое начало термодинамики, согласно которому $δQ=dU+pdV$ ($U$ – внутренняя энергия, $p$ – давление, $V$ – объём), то В. н. т. можно сформулировать в виде неравенства: $TdS-dU-pdV⩾0$.
Др. эквивалентные формулировки В. н. т. можно получить с помощью любого термодинамич. потенциала. Напр., для Гельмгольца энергии $ F=U-TS$ получим: $dF+SdT+pdV⩽0$. При выборе в качестве термодинамич. потенциала Гиббса энергии $ G=U-TS+pV$ получим: $dG+SdT-Vdp⩽0$.
В кинетической теории газов В. н. т. является следствием Больцмана Н-теоремы, т. к. $Н$-функция Больцмана, выражающаяся через функцию распределения атомов, пропорциональна энтропии идеального газа. Поэтому возрастание энтропии имеет не абсолютный, а вероятностный характер. В статистич. физике выясняется физич. смысл энтропии, связанной с логарифмом термодинамич. вероятности $W$ соотношением Больцмана $S=klnW$, где $k$ – постоянная Больцмана. Возрастание энтропии означает переход системы из менее вероятного термодинамич. состояния в более вероятное. В термодинамике неравновесных процессов В. н. т. оказывается следствием положительности производства энтропии (т. е. скорости её возрастания), которое является положительно определённой квадратичной формой от термодинамич. сил, характеризующих отклонение системы от состояния термодинамич. равновесия. T. о., неравновесная термодинамика даёт количественную характеристику В. н. т. В статистич. физике устанавливают пределы применимости В. н. т., связанные с существованием флуктуации энтропии. Вывод о «тепловой смерти» Вселенной, который иногда делают на основе применения к ней В. н. т. как к замкнутой термодинамич. системе, не является правомерным. Дело в том, что в эволюции Вселенной существенную роль играют тяготение и расширение Вселенной, которые не принимались во внимание.