Конспект урока: Второй закон термодинамики. Необратимость процессов в природе

Второй закон термодинамики

Как нам известно, первый закон термодинамики постулирует сохранение энергии в природе: невозможность появления энергии из ничего, бесследного исчезновения при её переходе от одного тела к другому или из одного вида в другой. В соответствии с этим законом невозможно создать так называемый «вечный двигатель первого рода», который бы совершал механическую работу без потерь энергии, как если бы у него внутри находился неиссякаемый источник энергии. Существование подобного двигателя прямо противоречит закону сохранения энергии.

Исследования по достижению максимального КПД тепловых машин привело к открытию ещё одного из фундаментальных законов природы. В прошлой статье было определено, что для работы тепловой машины или теплового двигателя необходимо иметь не только нагреватель, но и холодильник. Самой привлекательной идеей является создание тепловой машины, которая могла бы совершать работу только за счёт использования нагревателя. Для примера: при охлаждении воды Мирового океана всего лишь на 1 К можно получить количество энергии, которой будет достаточно для обеспечения всех потребностей человечества при современном уровне её потребления примерно на десятки тысяч лет. Изначально кажется, что создать такую машину, которую именуют «вечным двигателем второго рода» возможно, так как она не противоречит первому закону термодинамики. Но многочисленные эксперименты показали, что создание «вечного двигателя второго рода» является столь же недостижимой задачей, как и изготовление «вечного двигателя первого рода». Этот факт был принят в термодинамике в качестве второго основного закона термодинамики. 

Таким образом, в примере с Мировым океаном, чтобы энергия теплового движения молекул океана превратилась в механическую энергию, необходимо иметь рабочее тело, температура которого ниже температуры воды в океане.

С физической точки зрения можно сказать, что смысл второго закона термодинамики заключается в том, что внутренняя энергия молекул вещества качественно отличается от всех других видов энергии — механической, электрической, химической, ядерной и т. д. Это отличие в том, что энергия любого вида, кроме энергии теплового движения молекул, может полностью превратиться в любой другой вид энергии, в том числе в энергию теплового движения. А энергия же теплового движения молекул не может полностью перейти в другой вид энергии. В результате этого любой физический процесс, в котором происходит превращение какого-либо вида энергии в энергию теплового движения молекул, является необратимым процессом, т. е. он не может быть осуществлён полностью в обратном направлении.

Необратимость тепловых машин

Рис. 1. Теплообмен чая с окружающей средой

Представим себе бытовую ситуацию: на столе в комнате или на улице стоит стакан с горячим чаем. Жизненный опыт подсказывает, что через некоторое время чай остынет, иными словами, передаст некоторое количество теплоты окружающей среде. Это произойдёт из-за того, что температура чая имеет большее значение по сравнению с окружающим воздухом. Абсурдной кажется ситуация, если бы чай, наоборот, нагрелся за счёт поглощения тепла от менее нагретого тела — окружающего воздуха. При соприкосновении тел с различной температурой самопроизвольный процесс теплопередачи может происходить только в направлении от более нагретого тела к менее нагретому до момента, пока оба тела не будут иметь одинаковые температуры. Таким образом, процессы теплопередачи самопроизвольно осуществляются только в одном направлении, поэтому их называют необратимыми. 

Примером таких необратимых процессов является переход теплоты от горячего тела к холодному, переход механической энергии соударяющихся тел в их внутреннюю энергию при неупругом ударе и т. п.

Макроскопические и микроскопические состояния

Рис. 2. Одно из микросостояний системы

Дадим объяснение второго закона термодинамики с точки зрения молекулярно-кинетической теории. Для этого необходимо различать макроскопические и микроскопические состояния системы. Макроскопическое состояние термодинамической системы характеризуется набором макроскопических термодинамических параметров: температура, давление, объём. Эти величины могут быть непосредственно измерены и описывают состояние системы в целом. Микроскопическое состояние в общем случае характеризуют, задавая координаты и скорости всех составляющих термодинамическую систему частиц. Число этих частиц огромно, поэтому описание реального микросостояния термодинамической системы практически невозможно. Заданное макросостояние термодинамической системы может быть реализовано огромным числом различных микросостояний. Например, в сосуде находятся три одинаковые частицы: А, В и С. Мысленно разделим сосуд на две равные части. Будем считать заданным макросостоянием такое, при котором две частицы находятся в правой части сосуда, а одна в левой. С точки зрения микросостояний заданное макросостояние может быть реализовано тремя способами:

1. Справа — частицы А и В, слева — С;
2. Справа — А и С, слева В;
3. Справа С и В, слева — А.

Ясно, что при увеличении числа частиц количество микросостояний, которым реализуется заданное макросостояние, резко возрастает. Любому упорядоченному распределению частиц в пространстве и их упорядоченному движению соответствует меньшее число микросостояний в сравнении с беспорядочным распределением частиц и их хаотическом движении. Если любую систему предоставить самой себе без внешних воздействий, то «порядок» всегда переходит в «хаос». 

Дадим ещё одно определение второго закона термодинамики с помощью новой введённой физической величины: при отсутствии внешних воздействий энтропия термодинамической системы не может убывать.