Различные формулировки второго начала термодинамики. Необходимость введения количественной характеристики второго начала - энтропии

  

Основные понятия

• 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. И энергия, и энтропия — слова греческого происхождения. «Эн» означает «способность» или «содержание», «эрг» — корень слова «работа», а «тропе» — «превращение», поэтому слово «энергия» можно перевести, как «способность совершения работы», а «энтропия» – как «способность к превращениям».

  

Законы, принципы и соотношения

Второй закон термодинамики является эмпирическим, поэтому его можно сформулировать различными способами, которые, конечно, эквивалентны. Приведем эти формулировки:

• принцип Клаузиуса: Процесс, при котором не происходит никаких изменений, кроме передачи тепла от горячего тела к холодному, является необратимым, иначе говоря, теплота не может спонтанно перейти от более холодного тела к более горячему без каких-либо других изменений в системе.
  
  
• принцип Томпсона: Процесс, при котором работа переходит в тепло без каких-либо других изменений состояния системы, является необратимым; иначе говоря, невозможно преобразовать в работу все количество тепла, взятое от тела с однородной температурой, не производя никаких других изменений состояния системы.
  
  
• принцип невозможности создания двигателя первого рода: Невозможно создать циклически работающую машину, которая производила бы работу за счет поглощения тепла от одного теплового резервуара, не совершая при этом никаких других изменений состояния системы (вечный двигатель второго рода).
  
  
• принцип Каратеодори: Вблизи любого термически равновесного состояния термически однородной системы существует другое состояние, которое как угодно мало отличается от первого, но никогда не может быть достигнуто из него путем адиабатического перехода.

Энтропия — мера рассеяния энергии. Это понятие также было введено Клаузиусом, который развил и облек второй принцип термодинамики в математическую форму. Энтропию стали называть «тенью» энергии. И энергия, и энтропия — слова греческого происхождения. «Эн» означает «способность» или «содержание», «эрг» — корень слова «работа», а «тропе» — «превращение», поэтому слово «энергия» можно перевести, как «способность совершения работы», а «энтропия» – как «способность к превращениям».

Энтропия зависит от характера совершающегося процесса, поскольку от него зависит как количество тепла, рассеивающееся вследствие прямого теплообмена системы с окружающей средой, так и количество тепла, выделяющееся и рассеивающееся вследствие трения. В действительности получаемая работа тоже зависит от характера процесса и никогда не бывает равна максимальной, то есть изменению энергии системы. Она меньше максимальной на величину потерь энергии «через тепло» из-за трения и теплообмена. Но и та часть энергии, которая расходуется на совершение работы, затем тоже вследствие трения и теплообмена рассеивается в окружающей среде, еще больше, повышая ее энтропию.

Так, вся энергия сгорающего бензина, превращающаяся в автомобильном двигателе в тепло, а затем в механическую энергию, в конечном итоге рассеивается в атмосфере в результате трения кузова о воздух и колес о воздух и землю.

Энтропия тела или системы может и уменьшаться! Например, когда мотор сообщает механическую энергию холодильнику, поглощающему тепло из морозильной камеры при температуре 0⁰С и передающему его окружающему воздуху при 27⁰С, энтропия морозильной камеры и всей системы уменьшится. Такое уменьшение не противоречит второму за­кону термодинамики, поскольку он приме­ним лишь к замкнутым системам: при сов­местном рассмотрении всех частей системы полное изменение энтропии либо равно нулю, либо положительно.

Деятельность че­ловека на Земле приводит к локальному уменьшению энтропии: холодильники и тепловые насосы способны перекачивать тепло от холодного тела к горячему. Всюду, где наблюда­ется локальное возрастание упорядоченнос­ти, противостоящее беспорядку, происхо­дит локальное убывание энтропии. На Земле протекает естественный процесс концентрации энергии и уменьшения энтропии — процесс фотосинтеза, при котором рас­сеянная энергия солнечных лучей превращается в кон­центрированную химическую энергию зеленой массы рас­тений.

В организмах же самых высокоупорядоченных на Земле систем — животных и человека — в процессе пере­варивания и усвоения пищи происходит дальнейшее уменьшение энтропии. Однако в целом наша Солнечная система, включающая в себя и пер­воисточник энергии - Солнце, характеризу­ется возрастанием суммарной энтропии.

Исходя из этого факта, Клаузиус распространил закон возраста­ния энтропии в адиабатических системах не только на нашу Солнечную систему, но и на всю Вселенную, что привело его к выводу о грядущей тепловой смерти Вселенной, соответствующей достижению максимального значения её энтропии. Через какой-то, пусть весьма длительный, промежуток времени, считал ученый, вся энергия, имеющаяся на Земле и в других частях Вселенной, превратится в тепло, а равномерное распределение последнего между всеми телами земной природы и Вселенной приведет к выравниванию темпе­ратуры и полному прекращению каких бы то ни было превращений энергии — к «тепловой смерти Вселенной». «Можно оба главных положения механической теории теплоты, - писал он, - сформировать как основные законы Вселенной: энергия мира постоянна, энтропия мира стремиться к максимуму».

Но такое распространение второго закона термодинамики на всю Вселенную приводит к противоречию с принципом вечности движения во Вселенной, выражающимся в законе сохранения и превращения энергии.