Обратимые и необратимые процессы. Формулировки второго начала термодинамики

С точки зрения первого начала термодинамики возможны все процессы не нарушающие закон сохранения энергии. Иначе говоря, обратные процессы считаются настолько же возможными, как и прямые, ибо первое начало термодинамики вообще не рассматривает особых, преимущественных направлений протекания процессов в природе и технике.

Если система приведена в некоторое состояние, а затем предоставлена самой себе, т.е. изолирована от окружающей среды, то первое начало термодинамики вообще не решает вопроса о направлении развития процесса. В этом и состоит недостаточность первого начала термодинамики и вытекает необходимость изучения существующей во всех процессах направленности, их развития, дать методы для оценки степени направленности различных процессов.

Все процессы в природе можно разделить на естественные или самопроизвольные, протекающие без внешнего воздействия, и искусственные. Естественные процессы всегда развиваются в одном направлении, в том, при котором система стремится к термодинамическому равновесию, а искусственные легче протекают в этом направлении, чем в противоположном.

Так, например, два газа, находящиеся в одном сосуде и отделенные друг от друга перегородкой, перемешиваются, как только перегородка убирается, т.е. происходящая здесь диффузия является естественным процессом. Обратный процесс самопроизвольного разделения газов невозможен, его можно осуществить только искусственным путем.

Если в изолированной системе две части имеют разные температуры, то процесс теплопередачи приводит к выравниванию температур–энергия от более нагретого тела переходит к менее нагретому самопроизвольно. Обратный процесс самопроизвольного перехода теплоты от тела с меньшей температурой к телу с большей температурой не осуществляется.

Другой пример. Движение тела в некоторой реальной среде всегда сопровождается рассеянием энергии, причиной которой является трение. Невозможно осуществить такое движение, при котором благодаря трению, энергия, рассеянная в среду, будет вновь концентрироваться на движущемся теле, т.е. невозможно осуществить процесс обратный рассеянию.

С другой стороны процессы можно разделить на обратимые и необратимые.

Обратимым называется процесс, который протекает таким образом. что после его окончания систему можно вернуть в исходное состояние и никаких изменений в среде, окружающей систему, не произойдет. В данном случае под средой понимаются все, не входящие в систему, тела, с которыми система взаимодействует.

Вполне обратимые процессы представляют собой абстракцию и являются гипотетическими, но они имеют большое значение для теоретических исследований, как первый этап перед переходом к реальным процессам. Примером может служить качание математического маятника в условной среде без трения, адиабатический процесс расширения или сжатия идеального газа, который рассматривается при полной изоляции системы и бесконечно медленном изменении объема и давления газа для быстрого выравнивания температуры.

Весь опыт изучения явлений природы показывает, что и в изолированных системах все процессы сопровождаются потерями энергии, иначе говоря необратимые процессы обладают направленностью. Отличительной особенностью необратимых процессов является то, что конечное состояние всегда отличается от начального. Чем более необратим процесс, тем больше его направленность.

В изолированных системах необратимость и направленность изменяются одинаково при переходе от одного процесса к другому. Процесс потому и необратим, что имеет направленность. С другой стороны его направленность обусловливается его необратимостью. Это значит, что неуравновешенная система перемещается к состоянию термодинамического равновесия тем быстрее, чем больше степень необратимости процессов, протекающих в ней.

Для того чтобы выяснить, каков тот или иной процесс – обратим он или нет, необходимо исследовать одну из характеристик: либо направленность, либо необратимость процесса.

Сущность второго начала термодинамики заключается в утверждении, что существует направленность процессов и в математической формулировке этой направленности. Обычно второе начало термодинамики выражают в виде утверждения о невозможности некоторого процесса.

Немецкий физик Клаузиус (ранее нечто подобное Ломоносов) сформулировал второе начало термодинамики в следующем виде: невозможны такие процессы, единственным конечным результатом которых был бы переход некоторого количества теплоты от тела менее нагретого к телу более нагретому. Это соответствует утверждению необратимости процесса теплопроводности. Не следует однако понимать, что второе начало термодинамики вообще запрещает переход теплоты от менее нагретого тела к более нагретому. В холодильниках как раз и осуществляется такой переход. Однако этот переход не является единственным результатом процесса. Действительно, в окружающей среде происходят изменения, связанные с совершением компрессором работы над фреоном холодильника (например, повышается температура в помещении, где находится холодильник).

Английскому физику Томсону принадлежит еще одна формулировка второго нала термодинамики: невозможны такие процессы, единственным конечным результатом которых явилось бы отнятие от некоторого тела некоторого количества теплоты и превращение этой теплоты в работу.

А как же быть с изотермическим процессом? Ведь там как раз мы имеем вариант,когда все подведенное тепло превращается в работу. Но дело то в том, что это не единственный результат. Ведь при этом изменяется и объем.

Видоизменением этой формулировки является вид, предложенный Кельвиным и Планком: невозможно непрерывно получать работу за счет охлаждения системы до температуры более низкой, чем самая низкая температура окружающей среды.

Используя процессы, запрещаемые вторым началом термодинамики, можно было бы создать двигатель, совершающий работу за счет теплоты, получаемой такого практически неисчерпаемого источника энергии. Как океан. Это было бы равнозначно вечному двигателю. Поэтому второе начало термодинамики формулируют как невозможность постройки вечного двигателя второго рода, т.е. такого периодически работающего двигателя, который получал бы теплоту от одного резервуара и превращал ее полностью в работу.

Клаузиус нашел качественную и количественную функцию параметров состояния системы, которая характеризует необратимость процессов. Эта функция получила название энтропия. С учетом ее формулировка 2-го начала термодинамики звучит так: энтропия во всех необратимых процессах стремится к увеличению, к максимальному значению.

Второе начало термодинамики имеет границы применимости. Его можно применять к системам с очень большим числом степеней свободы (при достаточно большом числе частиц) и почти изолированном. Бессмысленно его применять к такой системе, как Вселенная, т.к. она безгранична и безгранично развивается.

Дата добавления: 2015-07-16