Вопрос №14.
Энтропия (от греч.(греческий) entropía — поворот, превращение), понятие, впервые введенное в термодинамике для определения меры необратимого рассеяния энергии. Э. широко применяется и в других областях науки: в статистической физике как мера вероятности осуществления какого-либо макроскопического состояния; в теории информации как мера неопределенности какого-либо опыта (испытания), который может иметь разные исходы. Эти трактовки Э. имеют глубокую внутреннюю связь. Например, на основе представлений об информационной Э. можно вывести все важнейшие положения статистической физики.
В 1824 г. Карно доказал, что для работы теплового двигателя необходимо не менее двух источников теплоты с различными температурами. Невозможность создания вечного двигателя второго рода подтверждается вторым началом термодинамики.
Приведем некоторые формулировки второго начала термодинамики:
Невозможен процесс, единственным результатом которого является превращение всей теплоты, полученной от нагревателя в эквивалентную ей работу (формулировка Кельвина).
Невозможен вечный двигатель второго рода (формулировка Томпсона – Планка).
Невозможен процесс, единственным результатом которого является передача энергии в форме теплоты от холодного тела к горячему (формулировка Клаузиуса).
В п. 6.4, мы показали, что при обратимом процессе имеет место равенство Клаузиуса:
|
|
|
(6.5.1) |
;при необратимом процессе имеет место неравенство Клаузиуса:
|
|
|
(6.5.2) |
.Тогда для произвольного процесса,
|
|
|
(6.5.3) |
.где знак равенства – для обратимого процесса; знак больше - для необратимого.
Значит для замкнутой системы
|
|
|
(6.5.4) |
.Это выражение – математическая запись второго начала термодинамики.
Выражения (6.5.1) и (6.5.2) можно объединить:
|
|
|
(6.5.5) |
.Энтропия замкнутой системы при любых происходивших в ней процессах не может убывать (или увеличивается, или остается неизменной).
Первое и второе начала термодинамики в объединенной форме имеют вид:
|
|
.Величина S = Q/T, или приведенная теплота, была названа энтропией. Эта величина является функцией состояния термодинамической системы. Изолированные(замкнутые) системы не обмениваются веществом и энергией с окружающим пространством. В таких системах изменение энтропии ΔS = 0 (для обратимых процессов) и ΔS >0 (для необратимых). Все реальные процессы необратимые и поэтому энтропия в изолированной системе для самопроизвольных процессов может только возрастать, что указывает на однонаправленность всех процессов в природе. Этот вывод получил название закона возрастания энтропии.
С точки зрения статистической термодинамики второе начало термодинамики можно сформулировать следующим образом:
Система стремится самопроизвольно перейти в состояние с максимальной термодинамической вероятностью.
Статистическое толкование второго начала термодинамики придает энтропии конкретный физический смысл меры термодинамической вероятности состояния системы.