Другий закон термодинаміки

Відео: ПЕРШИЙ І ДРУГИЙ ЗАКОНИ ТЕРМОДИНАМІКИ

Другий закон термодинаміки - один з основних законів фізики, закон про неубиванія ентропії в ізольованій системі.
Для системи з постійною температурою існує певна функція стану S - ентропія, яка визначається таким чином, що
1. Адіабатичний перехід з рівноважного стану A в рівноважний стан B можливий лише тоді, коли

.

2. Приріст ентропії в повільному квазістатичного процесі одно

,

де T - температура.
Наведене формулювання дуже формалічне. Існує дуже багато альтернативних формулювань другого закону термодинаміки. Наприклад, Планк запропонував наступне формулювання:
Неможливо побудувати машину, яка б працювала циклічно, охолоджувала б джерело тепла або піднімала вгору вантажі, не викликаючи при цьому ніяких змін в природі.

Костянтин Каратеодорі дав аксіоматично суворе формулювання
Поблизу стану 1 існують такі стани 2, адіабатичні переходи від стану 1 до стану 2 неможливі.

Больцман сформулював другий закон термодинаміки з точки зору статистичної фізики:
Природа прагне перейти з станів з меншою ймовірністю реалізації в стану з більшою ймовірністю реалізації.

Поширені такі формулювання.
Неможливо побудуваті вічний двигун другого роду.

Неможливо передати тепло від холодного тіла до гарячого, не витративши при цьому енергію.

Кожна система прагне перейти від порядку до безладу.

Другий закон термодинаміки був сформульваніх в середині 19-го століття, в ті часи, коли створювалася теоретична основа для конструювання і побудови теплових машин. Досліди Майера і Джоуля встановили еквівалентність між теплової та механічної енергіями (перший закон термодинаміки). Виникло питання про ефективність теплових машин. Експериментальні дослідження свідчили про те, що частина тепла обов`язково втрачається при роботі будь-якої машини.
У 1850-х, 1860-х роках Клаузиус в ряді публікацій розробив поняття ентропії. У 1865 році він нарешті вибрав для нового поняття ім`я. Ці публікації довели також, що тепло неможливо повністю перетворити в корисну роботу, сформулювавши таким чином другий закон термодинаміки.
Статистичну інтерпретацію другим законом термодинаміки дав Больцман, ввівши нове визначення для ентропії, яке базувалося на мікроскопічних атомистических уявленнях.
Статистична фізика вводить нове визначення ентропії, на перший погляд дуже відмінне від визначення термодинаміки. Воно задається формулою Больцмана:

,

де? - кількість мікроскопічних станів, які відповідають цій макроскопическому стану, k B - постійна Больцмана.
Зі статистичного визначення ентропії очевидно, що зростання ентропії відповідає переходу до такого макроскопічного стану, яке характеризується найбільшим значенням мікроскопічних станів.
Якщо початковий стан термодинамічної системи неравновесное, то з часом вона переходить до рівноважного стану, збільшуючи свою ентропію. Цей процес протікає тільки в одну сторону. Зворотний процес - перехід від рівноважного стану до початкового нерівноважного, не реалізується. Тобто, протягом часу отримує направлення.
Закони фізики, що описують мікроскопічний світ, інваріантні щодо заміни t на-t. Дане твердження справедливо як щодо законів класичної механіки, так і законів квантової механіки. В мікроскопічному світі діють консервативні сили, немає тертя, яке є диссипацией енергії, тобто перетворенням інших видів енергії в енергію теплового руху, а це в свою чергу пов`язано з законом неубиванія ентропії.
Уявімо собі, наприклад, газ в резервуарі, вміщеному в більший резервуар. Якщо відкрити клапан меншого резервуара, то газ через деякий час заповнить більший резервуар таким чином, що його щільність вирівняється. Відповідно до законів мікроскопічного світу, існує також і зворотний процес, коли газ з більшого резервуара збереться в меншу ємність. Але в макроскопічному світі таке ніколи не реалізується.
Якщо ентропія кожної ізольованою системи тільки збільшується з часом, а Всесвіт є ізольованою системою, то коли-небудь ентропія досягне максимуму, після чого будь-які зміни в ньому стануть неможливими.
Такі міркування, які з`явилися після установки другого закону термодинаміки, що отримали назву теплової смерті. Ця гіпотеза широко дискутувалася в 19-му столітті.
Кожен процес в світі призводить до розсіювання частини енергії і переходу її в тепло, до все більшого безладу. Звичайно, наш Всесвіт ще досить молодий. Термоядерні процеси в зірках призводять до стійкого потоку енергії на Землю, наприклад. Земля є і ще довго буде залишатися відкритою системою, яка отримує енергію з різних джерел: від Сонця, від процесів радіоактивного розпаду в ядрі, т. В відкритих системах, ентропія може зменшуватися, що призводить до появи різноманітних упорядкованих стуктур.