2.3 Теплота. Порядок-хаос

2.3.1 Характеристики термодинамических систем. Первое и второе начала термодинамики

Термодинамика — раздел физики, изучающий макроскопические системы (т. е. системы, состоящие из большого числа частиц) и процессы на основе общих законов взаимопревращения теплоты, различных видов работы и энергии.

Термодинамическая система — это система, состоящая из большого числа частиц, обменивающихся энергией между собой и внешними телами. Термодинамические системы могут быть:

 изолированные, если система не обменивается с окружающей средой энергией, веществом или информацией;

 открытые — обменивающиеся с окружающей средой энергией, веществом или информацией.

Свойства термодинамической системы описываются термодинамическими параметрами (макроскопическими параметрами состояния): давлением, температурой, объемом и др.

Классическая термодинамика имеет дело с системами, находящимися в состоянии равновесия. Состояние термодинамического равновесия характеризуется равенством температуры, давления и других параметров и всех ее частей. Любая изолированная термодинамическая система с течением времени достигает состояния термодинамического равновесия. Неравновесное состояние термодинамической системы характеризуется неоднородностью распределения значений параметров состояния в отсутствие внешних воздействий. Неоднородность системы приводит к необратимым процессам, в результате которых система до­стигает равновесия.

Классическая термодинамика изучает процессы взаимного превращения теплоты и механической работы, в результате которых тела обмениваются энергией. Основу классической термодинамики составляют первое и второе начала термодинамики.

Первое начало термодинамики — количество теплоты, переданное системе, идет на изменение внутренней энергии ΔU этой системы и совершение системой работы A над внешними телами:

Q = ΔU + A.

Первое начало термодинамики является частным случаем закона сохранения энергии в тепловых процессах.

Первое начало термодинамики устанавливает запрет на процессы, в которых совершаемая полезная работа больше подведенного тепла, т. е. не существует тепловая машина с коэффициентом полезного действия больше 1. Также первое начало термодинамики запрещает существование вечного двигателя первого рода. Вечный двигатель первого рода — воображаемая непрерывно действующая машина, которая будучи раз запущенной, совершала бы работу бесконечно без получения энергии извне.

Тепловые процессы могут быть обратимыми и необратимыми. Обра­тимые процессы — это процессы, которые могут проходить как в прямом, так и в обратном направлении через одни и те же промежуточные состояния. На практике полностью обратимый процесс реализовать невозможно из-за наличия сил трения и сопротивления. К обратимому процессу можно приблизиться, если сделать процесс бесконечно медленным. Все обратимые процессы равновесны.

Необратимые процессы — физические процессы, которые могут самопроизвольно протекать только в одном направлении — в сторону равномерного распределения вещества, теплоты и т. д. Необратимые процессы наблюдаются в результате диффузии, теплопроводности, при вязком течении жидкости (газа) и др.

Первый закон термодинамики констатирует существование процессов превращения видов энергии, но не устанавливает условий, при которых эти превращения возможны. Второй закон термодинамики рассмат­ривает возможность и направление самопроизвольно протекающих процессов.

Английский физик У. Кельвин в 1851 г. дал следующую формулировку второго закона термодинамики: в циклически действующей тепловой машине невозможен процесс, единственным результатом которого было бы преобразование в механическую работу всего количества теплоты, полученного от единственного теплового резервуара.

Р. Клаузиус дал другую формулировку второго закона термодинамики:

невозможен процесс, единственным результатом которого была бы передача энергии путем теплообмена от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой.

Второй закон термодинамики запрещает самопроизвольный переход тепла от холодного тела к более теплому, а также существование вечного двигателя второго рода. Вечный двигатель второго рода — это воображаемая тепловая машина, которая в результате совершения кругового процесса (цикла) полностью преобразует тепло, получаемое от «неисчерпаемого» источника (океана, атмосферы), в работу.

Второй закон термодинамики устанавливает, что самопроизвольные процессы возможны лишь в том случае, когда в системе нет равновесия, и что самопроизвольные процессы всегда протекают в направлении, при котором система приближается к равновесному состоянию. Любая изолированная термодинамическая система с течением времени достигает состояния термодинамического равновесия.

Любая предоставленная самой себе система стремится перейти в состояние термодинамического равновесия. Достигнув этого состояния, система сама по себе из него не выходит. Следовательно, с помощью тел, находящихся в термодинамическом равновесии, невозможно совершить работу.