Ako čítať druhý zákon termodynamiky. Entropia

§6 Entropia

Typicky každý proces, v ktorom systém prechádza z jedného stavu do druhého, prebieha tak, že nie je možné vykonať tento proces v opačnom smere, takže systém prechádza rovnakými medzistavami bez akýchkoľvek zmien v okolitých telesách. . Je to spôsobené tým, že v procese sa časť energie rozptýli, napríklad v dôsledku trenia, žiarenia atď. Takmer všetky procesy v prírode sú nezvratné. V každom procese sa stráca určitá energia. Na charakterizáciu disipácie energie sa zavádza pojem entropia. ( Hodnota entropie charakterizuje tepelný stav sústavy a určuje pravdepodobnosť realizácie daného stavu telesa. Čím je daný stav pravdepodobnejší, tým je entropia väčšia.) Všetky prírodné procesy sú sprevádzané nárastom entropie. Entropia zostáva konštantná iba v prípade idealizovaného reverzibilného procesu prebiehajúceho v uzavretom systéme, teda v systéme, v ktorom nedochádza k výmene energie s telesami mimo tohto systému.

Entropia a jej termodynamický význam:

Entropia- ide o funkciu stavu systému, ktorého nekonečná zmena pri reverzibilnom procese sa rovná pomeru nekonečne malého množstva tepla vneseného do tohto procesu k teplote, pri ktorej bolo vnesené.

V konečnom reverzibilnom procese možno zmenu entropie vypočítať pomocou vzorca:

kde sa integrál preberá z počiatočného stavu 1 systému do konečného stavu 2.

Keďže entropia je funkciou stavu, potom vlastnosť integráluje jeho nezávislosť od tvaru obrysu (dráhy), po ktorom sa počíta, preto je integrál určený len počiatočným a konečným stavom sústavy.

• V akomkoľvek reverzibilnom procese je zmena entropie 0

(1)

• V termodynamike je to dokázanéSsystém prechádzajúci nezvratným cyklom sa zvyšuje

Δ S> 0 (2)

Výrazy (1) a (2) sa týkajú iba uzavretých systémov, ak si systém vymieňa teplo s vonkajším prostredím, potom jehoSmôže sa správať akýmkoľvek spôsobom.

Vzťahy (1) a (2) možno znázorniť ako Clausiovu nerovnosť

ΔS ≥ 0

tie. entropia uzavretého systému sa môže buď zvýšiť (v prípade ireverzibilných procesov), alebo zostať konštantná (v prípade reverzibilných procesov).

Ak systém urobí rovnovážny prechod zo stavu 1 do stavu 2, potom sa zmení entropia

Kde dU A δAje napísaný pre konkrétny proces. Podľa tohto vzorca ΔSstanovená až do aditívnej konštanty. Nie je to samotná entropia, ktorá má fyzický význam, ale rozdiel v entropiách. Nájdime zmenu entropie v procesoch ideálneho plynu.

tie. zmeny entropieS Δ S 1→2 ideálneho plynu pri jeho prechode zo stavu 1 do stavu 2 nezávisí od typu procesu.

Pretože pre adiabatický proces δQ = 0, potom Δ S= 0 => S= konšt , to znamená, že pri konštantnej entropii nastáva adiabatický reverzibilný proces. Preto sa nazýva izoentropický.

V izotermickom procese (T= konštanta; T 1 = T 2 : )

V izochorickom procese (V= konštanta; V 1 = V 2 ; )

Entropia má vlastnosť aditivity: entropia systému sa rovná súčtu entropií telies zahrnutých v systéme.S = S 1 + S 2 + S 3 + ... Kvalitatívnym rozdielom medzi tepelným pohybom molekúl a inými formami pohybu je jeho náhodnosť a neusporiadanosť. Preto na charakterizáciu tepelného pohybu je potrebné zaviesť kvantitatívne meranie stupňa molekulárnej poruchy. Ak vezmeme do úvahy akýkoľvek daný makroskopický stav telesa s určitými priemernými hodnotami parametrov, potom je to niečo iné ako kontinuálna zmena blízkych mikrostavov, ktoré sa navzájom líšia rozmiestnením molekúl v rôznych častiach objemu a rozmiestnením. energie medzi molekulami. Počet týchto neustále sa meniacich mikrostavov charakterizuje stupeň poruchy makroskopického stavu celého systému,wsa nazýva termodynamická pravdepodobnosť daného mikrostavu. Termodynamická pravdepodobnosťwstav systému je počet spôsobov, ktorými je možné daný stav makroskopického systému realizovať, alebo počet mikrostavov, ktoré daný mikrostav implementujú (w≥ 1 a matematická pravdepodobnosť ≤ 1 ).

Ako miera prekvapenia udalosti bolo dohodnuté použiť logaritmus jej pravdepodobnosti so znamienkom mínus: prekvapenie stavu sa rovná =-

Podľa Boltzmanna entropiaSsystémy a termodynamická pravdepodobnosť spolu súvisia takto:

Kde - Boltzmannova konštanta (). Entropia je teda určená logaritmom počtu stavov, pomocou ktorých je možné daný mikrostav realizovať. Entropiu možno považovať za mieru pravdepodobnosti stavu systému t/d. Boltzmannov vzorec nám umožňuje poskytnúť entropiu nasledujúcu štatistickú interpretáciu. Entropia je mierou neusporiadanosti systému. V skutočnosti, čím väčší je počet mikrostavov realizujúcich daný mikrostav, tým väčšia je entropia. V rovnovážnom stave systému - najpravdepodobnejší stav systému - je počet mikrostavov maximálny a entropia je tiež maximálna.

Pretože reálne procesy sú nezvratné, potom možno tvrdiť, že všetky procesy v uzavretom systéme vedú k zvýšeniu jeho entropie – princíp zvyšovania entropie. V štatistickej interpretácii entropie to znamená, že procesy v uzavretom systéme prebiehajú v smere zvyšovania počtu mikrostavov, inými slovami, od menej pravdepodobných stavov k viac pravdepodobným, až kým sa pravdepodobnosť stavu nestane maximom.

§7 Druhý zákon termodynamiky

Prvý zákon termodynamiky, vyjadrujúci zákon zachovania energie a premeny energie, nám neumožňuje určiť smer toku t/d procesov. Okrem toho si možno predstaviť mnoho procesov, ktoré si neprotirečiajado začiatku t/d, v ktorých sa energia šetrí, no v prírode sa nerealizujú. Možné formulácie druhého začiatku t/d:

1) zákon rastúcej entropie uzavretého systému počas ireverzibilných procesov: akýkoľvek nezvratný proces v uzavretom systéme prebieha tak, že entropia systému sa zvyšuje ΔS≥ 0 (nevratný proces) 2) ΔS≥ 0 (S= 0 pre reverzibilné a ΔS≥ 0 pre nevratný proces)

V procesoch prebiehajúcich v uzavretom systéme entropia neklesá.

2) Z Boltzmannovho vzorca S = , preto nárast entropie znamená prechod systému z menej pravdepodobného stavu do pravdepodobnejšieho.

3) Podľa Kelvina: nie je možný kruhový proces, ktorého jediným výsledkom je premena tepla prijatého z ohrievača na jemu ekvivalentnú prácu.

4) Podľa Clausiusa: nie je možný kruhový proces, ktorého jediným výsledkom je prenos tepla z menej zohriateho telesa na viac zohriate.

Na opis systémov t/d pri 0 K sa používa Nernst-Planckova veta (tretí zákon t/d): entropia všetkých telies v rovnovážnom stave má tendenciu k nule, keď sa teplota blíži k 0 K.

Z vety Nernst-Planck z toho vyplývaC p = C v = 0 pri 0 TO

§8 Tepelné a chladiace stroje.

Carnotov cyklus a jeho účinnosť

Z formulácie druhého zákona t/d podľa Kelvina vyplýva, že stroj na večný pohyb druhého druhu je nemožný. (Večný stroj je periodicky pracujúci motor, ktorý vykonáva prácu chladením jedného zdroja tepla.)

Termostat je t/d systém, ktorý dokáže vymieňať teplo s telesami bez zmeny teploty.

Princíp činnosti tepelného motora: z termostatu s teplotou T 1 - ohrievač, množstvo tepla sa odoberá za cyklusQ 1 a termostat s teplotou T 2 (T 2 < T 1) - do chladničky sa odovzdáva množstvo tepla za cyklusQ 2 , kým je práca hotová A = Q 1 - Q 2

Kruhový proces alebo cyklus je proces, v ktorom systém, ktorý prešiel sériou stavov, sa vracia do pôvodného stavu. V stavovom diagrame je cyklus znázornený ako uzavretá krivka. Cyklus, ktorý vykonáva ideálny plyn, možno rozdeliť na procesy expanzie (1-2) a kompresie (2-1), práca expanzie je pozitívna A 1-2 > 0, pretožeV 2 > V 1 , kompresná práca je negatívna A 1-2 < 0, т.к. V 2 < V 1 . V dôsledku toho je práca vykonaná plynom na cyklus určená plochou pokrytou uzavretou krivkou 1-2-1. Ak sa počas cyklu (cyklus v smere hodinových ručičiek) vykoná pozitívna práca, potom sa cyklus nazýva dopredu, ak ide o spätný cyklus (cyklus prebieha proti smeru hodinových ručičiek).

Priamy cyklus používané v tepelných motoroch - periodicky pracujúce motory, ktoré vykonávajú prácu pomocou tepla prijatého zvonku. Reverzný cyklus sa používa v chladiacich strojoch - periodicky pracujúcich zariadeniach, v ktorých sa vplyvom vonkajších síl teplo prenáša na teleso s vyššou teplotou.

V dôsledku kruhového procesu sa systém vráti do pôvodného stavu, a preto je celková zmena vnútornej energie nulová. PotomІ štart t/d pre kruhový proces

Q= Δ U+ A= A,

To znamená, že práca vykonaná na cyklus sa rovná množstvu tepla prijatého zvonku, ale

Q= Q 1 - Q 2

Q 1 - množstvo teplo prijaté systémom,

Q 2 - množstvo teplo vydávané systémom.

Tepelná účinnosť pre kruhový proces sa rovná pomeru práce vykonanej systémom k množstvu tepla dodaného do systému:

Pre η = 1 musí byť podmienka splnenáQ 2 = 0, t.j. tepelný stroj musí mať jeden zdroj teplaQ 1 , ale to odporuje druhému zákonu t/d.

Opačný proces, ktorý sa vyskytuje v tepelnom motore, sa používa v chladiacom stroji.

Z termostatu s teplotou T 2 sa odoberá množstvo teplaQ 2 a prenáša sa do termostatu s teplotouT 1 , množstvo teplaQ 1 .

Q= Q 2 - Q 1 < 0, следовательно A< 0.

Bez vykonávania práce nie je možné odobrať teplo z menej zohriateho tela a odovzdať ho viac zohriatemu.

Na základe druhého zákona t/d odvodil Carnot vetu.

Carnotova veta: zo všetkých periodicky pracujúcich tepelných motorov s rovnakými teplotami ohrievača ( T 1) a chladničky ( T 2), najvyššia účinnosť. majú reverzibilné stroje. Efektívnosť reverzibilné stroje s rov T 1 a T 2 sú rovnaké a nezávisia od povahy pracovnej tekutiny.

Pracovné telo je teleso, ktoré vykonáva kruhový proces a vymieňa si energiu s inými telesami.

Carnotov cyklus je reverzibilný, najúspornejší cyklus, ktorý pozostáva z 2 izoterm a 2 adiabatov.

1-2 izotermická expanzia pri T 1 ohrievač; teplo sa dodáva do plynuQ 1 a práca je hotová

2-3 - adiabat. expanzia, plyn fungujeA 2-3 >0 cez vonkajšie telesá.

3-4 izotermická kompresia pri T 2 chladničky; teplo sa odoberáQ 2 a práca je hotová;

4-1-adiabatická kompresia, pracuje sa na plyne A 4-1 <0 внешними телами.

V izotermickom proceseU= konšt., tak Q 1 = A 12

1

Počas adiabatickej expanzieQ 2-3 = 0 a práca s plynom A 23 realizované vnútornou energiou A 23 = - U

Množstvo teplaQ 2 , daný plynom do chladničky pri izotermickej kompresii sa rovná práci kompresie A 3-4

2

Adiabatická kompresná práca

Práca vykonaná ako výsledok kruhového procesu

A = A 12 + A 23 + A 34 + A 41 = Q 1 + A 23 - Q 2 - A 23 = Q 1 - Q 2

a rovná sa ploche krivky 1-2-3-4-1.

Tepelná účinnosť Carnotov cyklus

Z adiabatickej rovnice pre procesy 2-3 a 3-4 dostaneme

Potom

tie. efektívnosť Carnotov cyklus je určený iba teplotami ohrievača a chladničky. Na zvýšenie efektívnosti je potrebné zvýšiť rozdiel T 1 - T 2 .

******************************************************* ******************************************************

Existuje niekoľko formulácií druhého zákona termodynamiky, z ktorých dva sú uvedené nižšie:

· teplo sa samo nemôže presunúť z telesa s nižšou teplotou do telesa s vyššou teplotou(formulácia R. Clausiusa);

· je nemožný perpetum mobile druhého druhu, teda taký periodický proces, ktorého jediným výsledkom by bola premena tepla na prácu v dôsledku ochladzovania jedného telesa (Thomsonova formulácia).

Druhý termodynamický zákon naznačuje nerovnosť dvoch foriem prenosu energie – práce a tepla. Tento zákon zohľadňuje skutočnosť, že proces prechodu energie usporiadaného pohybu telesa ako celku (mechanická energia) na energiu neusporiadaného pohybu jeho častíc (tepelná energia) je nevratný. Napríklad mechanická energia počas trenia sa premieňa na teplo bez akýchkoľvek dodatočných procesov. Premena energie neusporiadaného pohybu častíc (vnútorná energia) na prácu je možná len vtedy, ak je sprevádzaná nejakým dodatočným procesom. Tepelný stroj pracujúci v priamom cykle teda vyrába prácu len vďaka teplu dodávanému z ohrievača, no zároveň časť prijatého tepla odovzdáva chladničke.

Entropia Okrem vnútornej energie U, čo je jedinečná funkcia stavových parametrov systému, ďalšie stavové funkcie sú široko používané v termodynamike (; voľná energia, entalpia A entropia).

koncepcia entropia zaviedol v roku 1865 Rudolf Clausius. Toto slovo pochádza z gréčtiny. entropia a doslova znamená otočiť, transformácia. v termodynamike sa týmto pojmom označuje premena rôznych druhov energie (mechanická, elektrická, svetelná, chemická) na teplo, teda na náhodný, chaotický pohyb molekúl. Nie je možné zhromaždiť túto energiu a premeniť ju späť na druh, z ktorého bola získaná.

Na určenie opatrenia nezvratného rozptylu alebo rozptyl energie a tento koncept bol zavedený. Entropia S je funkciou štátu. Medzi ostatnými termodynamickými funkciami vyniká tým, že má štatistické, teda pravdepodobnostnej povahy.

Ak sa v termodynamickom systéme vyskytne proces, ktorý zahŕňa príjem alebo uvoľnenie tepla, vedie to k transformácii entropie systému, ktorá sa môže buď zvyšovať alebo znižovať. Počas nezvratného cyklu sa entropia izolovaného systému zvyšuje

dS> 0. (3.4)

To znamená, že v systéme dochádza k nevratnému rozptylu energie.

Ak v uzavretom systéme nastane reverzibilný proces, entropia zostane nezmenená

dS= 0. (3.5)

Zmena entropie izolovaného systému, ktorému je odovzdané nekonečne malé množstvo tepla, je určená vzťahom:

. (3.6)

Tento vzťah platí pre reverzibilný proces. Pre nezvratný proces vyskytujúci sa v uzavretom systéme máme:

dS> .

V otvorenom systéme sa entropia vždy zvyšuje. Zavolá sa stavová funkcia, ktorej diferenciál je znížené teplo.

Vo všetkých procesoch prebiehajúcich v uzavretom systéme sa teda entropia zvyšuje počas ireverzibilných procesov a zostáva nezmenená počas reverzibilných procesov. V dôsledku toho môžu byť vzorce (3.4) a (3.5) kombinované a prezentované vo formulári

dS ³ 0.

Toto štatistické formulácia druhého termodynamického zákona.

Ak systém urobí rovnovážny prechod zo stavu 1 do stavu 2, potom podľa rovnice (3.6) , zmena entropie

D S 1- 2 = S 2 – S 1 = .

Nie je to samotná entropia, ktorá má fyzický význam, ale rozdiel medzi entropiami.

Nájdime zmenu entropie v procesoch ideálneho plynu. Pretože:

; ;

,

alebo: . (3.7)

To ukazuje, že zmena entropie ideálneho plynu počas prechodu zo stavu 1 do stavu 2 nezávisí od typu procesu prechodu 1® 2.

Zo vzorca (3.7) vyplýva, že kedy izotermický proces ( Ti = T2):

.

O izochorický procesu sa zmena entropie rovná

.

Keďže pre adiabatické spracované Q= 0, potom uD S= 0, preto pri konštantnej entropii nastáva reverzibilný adiabatický proces. Preto ho volajú izoentropický proces.

Entropia systému má vlastnosť aditivity, čo znamená, že entropia systému sa rovná súčtu entropií všetkých telies, ktoré sú súčasťou systému.

Význam entropie bude jasnejší, ak zapojíme štatistickú fyziku. V ňom je entropia spojená s termodynamická pravdepodobnosť stavu systému. Termodynamická pravdepodobnosť W stavu systému sa rovná počtu všetkých možných mikrodistribúcií častíc pozdĺž súradníc a rýchlostí, ktoré určujú daný makrostav: Walways³ 1, tj. termodynamická pravdepodobnosť nie je pravdepodobnosť v matematickom zmysle.

L. Boltzmann (1872) ukázal, že entropia systému sa rovná súčinu Boltzmannovej konštanty k logaritmom termodynamickej pravdepodobnosti W daného stavu

V dôsledku toho môže byť entropia poskytnutá nasledujúcou štatistickou interpretáciou: entropia je mierou neusporiadanosti systému. Zo vzorca (3.8) je jasné: čím väčší počet mikrostavov realizujú daný makrostav, tým väčšia je entropia. Najpravdepodobnejším stavom systému je rovnovážny stav. Počet mikrostavov je maximálny, preto je maximálna entropia.

Keďže všetky skutočné procesy sú nezvratné, možno tvrdiť, že všetky procesy v uzavretom systéme vedú k zvýšeniu entropie – princíp zvyšovania entropie.

V štatistickej interpretácii entropie to znamená, že procesy v uzavretom systéme prebiehajú v smere od menej pravdepodobných stavov k viac pravdepodobným stavom, až kým sa pravdepodobnosť stavov nestane maximom.

Vysvetlíme si to na príklade. Predstavme si nádobu rozdelenú prepážkou na dve rovnaké časti A A B. Čiastočne A je tam plyn a v B- vákuum. Ak urobíte dieru v prepážke, plyn sa okamžite začne rozširovať „sám“ a po určitom čase sa rovnomerne rozloží po celom objeme nádoby, čím sa pravdepodobne stavu systému. Najmenej pravdepodobné nastane stav, keď väčšina molekúl plynu náhle spontánne naplní jednu z polovíc nádoby. Na tento jav môžete čakať, ako dlho chcete, ale samotný plyn sa už nezloží na časti. A. Aby ste to dosiahli, musíte urobiť nejakú prácu na plyne: napríklad posuňte pravú stenu časti ako piest B. Akýkoľvek fyzikálny systém má teda tendenciu prejsť z menej pravdepodobného stavu do pravdepodobnejšieho stavu. Pravdepodobnejší je rovnovážny stav systému.

Pomocou konceptu entropie a nerovnosti R. Clausiusa, druhý termodynamický zákon možno formulovať ako zákon rastúcej entropie uzavretého systému počas ireverzibilných procesov:

akýkoľvek nezvratný proces v uzavretom systéme prebieha tak, že systém s väčšou pravdepodobnosťou vstúpi do stavu s vyššou entropiou, pričom maximum dosiahne v stave rovnováhy. Alebo iný:

v procesoch prebiehajúcich v uzavretých systémoch entropia neklesá.

Upozorňujeme, že hovoríme len o uzavretých systémoch.

Takže druhý zákon termodynamiky je štatistický zákon. Vyjadruje potrebné vzorce chaotického pohybu veľkého počtu častíc, ktoré sú súčasťou izolovaného systému. Štatistické metódy sú však použiteľné len v prípade obrovského množstva častíc v systéme. Pre malý počet častíc (5-10) tento prístup nie je použiteľný. V tomto prípade už nie je pravdepodobnosť, že všetky častice budú v jednej polovici objemu nulová, alebo inak povedané, k takejto udalosti môže dôjsť.

Tepelná smrť vesmíru. R. Clausius, ktorý považoval vesmír za uzavretý systém a aplikoval naň druhý termodynamický zákon, všetko zredukoval na konštatovanie, že entropia vesmíru musí dosiahnuť maximum. To znamená, že všetky formy pohybu sa musia zmeniť na tepelný pohyb, v dôsledku čoho sa teplota všetkých telies vo vesmíre časom vyrovná, nastane úplná tepelná rovnováha a všetky procesy sa jednoducho zastavia: tepelná smrť Vznikne vesmír.

Základná rovnica termodynamiky . Táto rovnica kombinuje vzorce prvého a druhého zákona termodynamiky:

d Q = dU + p dV, (3.9)

Dosadíme rovnicu (3.9), vyjadrujúcu druhý termodynamický zákon, za rovnosť (3.10):

.

Tak to je základná rovnica termodynamiky.

Na záver ešte raz poznamenávame, že ak prvý termodynamický zákon obsahuje energetickú bilanciu procesu, potom druhý zákon ukazuje jeho možný smer.

Tretí zákon termodynamiky

Ďalší zákon termodynamiky stanovil v procese štúdia zmien entropie chemických reakcií v roku 1906 V. Nernst. Volá sa Nernstova veta alebo tretí termodynamický zákon a súvisí so správaním sa tepelnej kapacity látok pri teplotách absolútnej nuly.

Nernstova veta uvádza, že keď sa blíži k absolútnej nule, entropia systému má tiež tendenciu k nule, bez ohľadu na to, aké hodnoty majú všetky ostatné parametre stavu systému:

.

Od entropie a teplotu T má tendenciu k nule, tepelná kapacita látky musí tiež smerovať k nule a rýchlejšie ako T. to znamená nedosiahnuteľnosť absolútnej nulovej teploty s konečným sledom termodynamických procesov, teda konečným počtom operácií – pracovných cyklov chladiaceho stroja (druhá formulácia tretieho termodynamického zákona).

Skutočné plyny

Van der Waalsova rovnica

Zmenu skupenstva riedených plynov pri dostatočne vysokých teplotách a nízkych tlakoch popisujú zákony ideálneho plynu. Keď sa však tlak zvyšuje a teplota skutočného plynu klesá, pozorujú sa významné odchýlky od týchto zákonov v dôsledku významných rozdielov medzi správaním skutočných plynov a správaním, ktoré sa pripisuje časticiam ideálneho plynu.

Stavová rovnica reálnych plynov musí brať do úvahy:

· konečná hodnota vlastného objemu molekúl;

· vzájomná príťažlivosť molekúl k sebe.

Na tento účel J. van der Waals navrhol zahrnúť do stavovej rovnice nie objem nádoby, ako v rovnici Clapeyron-Mendelejev ( pV = RT) a objem mólu plynu neobsadeného molekulami, teda hodnotu ( V m - b), Kde V m – molárny objem. Aby sa zohľadnili príťažlivé sily medzi molekulami, J. van der Waals zaviedol korekciu tlaku zahrnutého v stavovej rovnici.

Zavedením korekcií súvisiacich so zohľadnením vnútorného objemu molekúl (odpudivých síl) a príťažlivých síl do Clapeyronovej-Mendelejevovej rovnice získame stavová rovnica mólu reálneho plynu ako:

.

Toto van der Waalsova rovnica, v ktorom sú konštanty A A b majú pre rôzne plyny rôzny význam.

Laboratórne práce

Druhý termodynamický zákon určuje smer skutočných tepelných procesov prebiehajúcich konečnou rýchlosťou.

Druhý začiatok(druhý zákon) termodynamika Má niekoľko formulácií . Napríklad, akúkoľvek akciu, súvisiace s premenou energie(to znamená s prechodom energie z jednej formy do druhej), nemôže nastať bez jeho straty vo forme tepla rozptýleného v prostredí. Vo všeobecnejšej podobe to znamená, že procesy premeny (premeny) energie môžu nastať spontánne len za predpokladu, že energia prejde z koncentrovanej (usporiadanej) formy do dispergovanej (neusporiadanej) formy.

Ďalší definícia Druhý termodynamický zákon priamo súvisí s Clausiusov princíp : Proces, pri ktorom nedochádza k žiadnej zmene okrem prechodu tepla z horúceho telesa na studené, je nevratný, to znamená, že teplo nemôže samovoľne prechádzať z chladnejšieho telesa na teplejšie. V čom také prerozdelenie energie v systéme charakterizované veľkosťou , volal entropia , ktorý bol ako funkcia stavu termodynamického systému (funkcia s totálnym diferenciálom) prvýkrát predstavený v r 1865 roku presne Clausiusom. entropia - je to miera nezvratného rozptylu energie. Čím väčšie je množstvo energie, ktorá sa nezvratne rozptýli ako teplo, tým väčšia je entropia.

Z týchto formulácií druhého termodynamického zákona teda môžeme usúdiť, že akýkoľvek systém , ktorého vlastnosti sa časom menia, usiluje sa o rovnovážny stav, v ktorom entropia systému nadobúda maximálnu hodnotu. Kvôli tomuto druhý termodynamický zákončasto volať zákon rastúcej entropie a ona sama entropia (ako fyzikálna veličina alebo ako fyzikálny koncept) zvažujú ako miera vnútornej poruchy fyzikálno-chemického systému .

Inými slovami, entropia – štátna funkcia charakterizujúce smer samovoľných procesov v uzavretom termodynamickom systéme. V rovnovážnom stave dosahuje entropia uzavretého systému maximum a v takomto systéme nie sú možné žiadne makroskopické procesy. Maximálna entropia zodpovedá úplnému chaosu .

Prechod systému z jedného stavu do druhého sa najčastejšie nevyznačuje absolútnou hodnotou entropie S a jeho zmena ∆ S , ktorá sa rovná pomeru zmeny množstva tepla (preneseného do systému alebo z neho odvedeného) k absolútnej teplote systému: ∆ S= ∆Q/T J/deg. Ide o tzv termodynamická entropia .

Okrem toho má entropia aj štatistický význam. Pri prechode z jedného makrostavu do druhého sa zvyšuje aj štatistická entropia, keďže takýto prechod je vždy sprevádzaný veľkým počtom mikrostavov a rovnovážny stav (ku ktorému systém inklinuje) je charakterizovaný maximálnym počtom mikrostavov.

V súvislosti s pojmom entropia v termodynamike nadobúda pojem čas nový význam. V klasickej mechanike sa neberie do úvahy smer času a stav mechanického systému sa dá určiť tak v minulosti, ako aj v budúcnosti. V termodynamike sa čas objavuje vo forme nezvratného procesu zvyšovania entropie v systéme. To znamená, že čím väčšia je entropia, tým dlhší čas uplynul vo vývoji systému.

okrem toho pochopiť fyzikálny význam entropie treba mať na pamäti, že v prírode existujú štyri triedy termodynamických systémov :

A) izolované systémy alebo uzavreté(pri prechode takýchto systémov z jedného stavu do druhého nedochádza k prenosu energie, hmoty a informácií cez hranice systému);

b) adiabatické systémy(nedochádza len k výmene tepla s okolím);

V) uzavreté systémy(vymieňať si energiu, ale nie hmotu, so susednými systémami (napríklad vesmírna loď);

G) otvorené systémy(výmena hmoty, energie a informácií s okolím). V týchto systémoch môžu v dôsledku príchodu energie zvonku vzniknúť disipatívne štruktúry s oveľa nižšou entropiou.

Pre otvorené systémy entropia klesá. To posledné sa týka predovšetkým biologické systémy teda živé organizmy, čo sú otvorené nerovnovážne systémy. Takéto systémy sú charakterizované gradientmi koncentrácie chemikálií, teploty, tlaku a iných fyzikálno-chemických veličín. Použitie pojmov modernej, teda nerovnovážnej termodynamiky, umožňuje popísať správanie otvorených, teda reálnych systémov. Takéto systémy si vždy vymieňajú energiu, hmotu a informácie so svojím prostredím. Okrem toho sú takéto metabolické procesy charakteristické nielen pre fyzikálne alebo biologické systémy, ale aj pre sociálno-ekonomické, kultúrne, historické a humanitárne systémy, pretože procesy, ktoré sa v nich vyskytujú, sú spravidla nezvratné.

Tretí zákon termodynamiky (tretí zákon termodynamiky) je spojený s pojmom „absolútna nula“. Fyzikálny význam tohto zákona, znázornený v tepelnej vete W. Nernsta (nemeckého fyzika), je zásadná nemožnosť dosiahnuť absolútnu nulu (-273,16ºС), pri ktorej by sa mal zastaviť translačný tepelný pohyb molekúl a zaniknúť entropia. závisieť od parametrov fyzikálneho stavu systému (najmä od zmien tepelnej energie). Nernstova veta platí len pre termodynamicky rovnovážne stavy systémov.

Inými slovami, Nernstova veta môže mať nasledujúcu formuláciu: pri približovaní sa k absolútnej nule prírastok entropie∆S má tendenciu k dobre definovanému konečnému limitu, nezávisle od hodnôt všetkých parametrov charakterizujúcich stav systému(napríklad o objeme, tlaku, stave agregácie atď.).

Pochopte podstatu Nernstovej vety možné pri nasledujúci príklad. Keď sa teplota plynu zníži, dôjde k jeho kondenzácii a zníži sa entropia systému, pretože molekuly sú umiestnené usporiadanejšie. S ďalším poklesom teploty nastane kryštalizácia kvapaliny sprevádzaná väčšou usporiadanosťou v usporiadaní molekúl a následne ešte väčším poklesom entropie. Pri teplote absolútnej nuly sa všetok tepelný pohyb zastaví, neporiadok zmizne, počet možných mikrostavov klesne na jeden a entropia sa priblíži k nule.

4. Koncept sebaorganizácie. Samoorganizácia v otvorených systémoch.

Koncept " synergetika" navrhol v roku 1973 nemecký fyzik Hermann Haken na označenie smeru, volal preskúmať všeobecné zákony sebaorganizácie – fenomén koordinovaného pôsobenia prvkov komplexného systému bez vonkajšieho kontrolného pôsobenia. Synergetika (v preklade z gréčtiny – spoločný, koordinovaný, uľahčujúci) – vedecký smer študovať spojenia medzi prvkami konštrukcie(subsystémy), ktoré sa tvoria v otvorených systémoch (biologické, fyzikálno-chemické, geologicko-geografické atď.) vďaka intenzívnemu(streaming) výmena hmoty, energie a informácií s okolím v nerovnovážnych podmienkach. V takýchto systémoch sa pozoruje koordinované správanie subsystémov, v dôsledku čoho sa zvyšuje stupeň poriadku (entropia klesá), to znamená, že sa rozvíja proces samoorganizácie.

Rovnováhaje tam stav pokoja a symetrie, A asymetria vedie k pohybu a nerovnovážnemu stavu .

Významný príspevok k teórii samoorganizácie systémov prispel belgický fyzik ruského pôvodu I.R. Prigogine (1917-2003). Ukázal to v disipatívne systémy (systémy, v ktorých prebieha disipácia entropie) v priebehu ireverzibilných nerovnovážnych procesov vznikajú usporiadané útvary, ktoré tzv. disipatívne štruktúry.

Samoorganizácia- Toto proces spontánneho vzniku poriadku a organizácie z neporiadku(chaos) v otvorených nerovnovážnych systémoch. Náhodné odchýlky parametrov systému od rovnováhy ( výkyvy) zohrávajú veľmi dôležitú úlohu vo fungovaní a existencii systému. Kvôli rast výkyvov pri pohlcovaní energie z prostredia systém dosiahne niektoré kritický stav A prechádza do nového ustáleného stavu s viac vysoká úroveň zložitosti A objednať v porovnaní s predchádzajúcim. Systém, ktorý sa samoorganizuje v novom stacionárnom stave, znižuje svoju entropiu, zdá sa, že „vysypáva“ svoj prebytok, ktorý sa zvyšuje v dôsledku vnútorných procesov, do prostredia.

Vynorenie sa z chaosu usporiadaná štruktúra (atraktor , alebo disipatívne štruktúry) je výsledok súťaže množiny všetkých možných stavov zabudovaných v systéme. V dôsledku konkurencie dochádza k spontánnemu výberu najprispôsobivejšej štruktúry v súčasných podmienkach.

Synergetika je založená o termodynamike nerovnovážnych procesov, teórii náhodných procesov, teórii nelineárnych kmitov a vĺn.

Synergetika skúma vznik a vývoj systémov. Rozlišovať tri typy systémov: 1) ZATVORENÉ, ktoré si nevymieňajú hmotu, energiu alebo informácie so susednými systémami (alebo s prostredím); 2) ZATVORENÉ ktoré si vymieňajú energiu, ale nie hmotu, so susednými systémami (napríklad kozmická loď); 3) OTVORENÉ, ktoré si vymieňajú hmotu aj energiu so susednými systémami. Takmer všetky prírodné (ekologické) systémy sú otvoreného typu.

Existencia systémov nemysliteľné žiadne spojenia. Posledné sú rozdelené na priame a inverzné. Rovno toto nazývajú spojenie , v ktorom jeden prvok ( A) pôsobí na inú ( IN) bez odozvy. O spätná väzba element IN reaguje na činnosť prvku A. Spätná väzba môže byť pozitívna alebo negatívna.

Pozitívna spätná väzba vedie k zintenzívneniu procesu jedným smerom. Príkladom jeho pôsobenia je podmáčanie územia (napríklad po odlesňovaní). Proces začína konať V jeden smer: zvýšená vlhkosť – úbytok kyslíka – pomalší rozklad rastlinných zvyškov – hromadenie rašeliny – ďalšie zvýšené zamokrenie.

Spätná väzba negatívna spätná väzba pôsobí tak, že v reakcii na zvýšené pôsobenie prvku A Sila prvku v opačnom smere sa zvyšuje B. Toto spojenie umožňuje systému zostať v stave stabilná dynamická rovnováha. Toto je najbežnejší a najdôležitejší typ spojení v prírodných systémoch. Sú predovšetkým základom udržateľnosti a stability ekosystémov.

Dôležitá vlastnosť systémov je vznik (v preklade z angličtiny - vznik, objavenie sa niečoho nového). Táto vlastnosť spočíva v tom, že vlastnosti systému ako celku nie sú jednoduchým súčtom vlastností jeho častí alebo prvkov, ale vzájomné vzťahy rôznych väzieb systému určujú jeho novú kvalitu.

Synergický prístup k posudzovaniu systémov je založený na tri pojmy: nerovnováha, otvorenosť A nelinearita .

Nerovnováha(nestabilita) – stavu systému, pri ktorej dochádza k zmene jeho makroskopických parametrov, teda zloženia, štruktúry, správania.

Otvorenosť -schopnosť systému neustále si vymieňajú hmotu, energiu, informácie s prostredím a majú „zdroje“ - zóny dopĺňania energie z prostredia a zóny rozptylu, „klesajúce“.

Nelinearita -vlastnosť systému zostávajú v rôznych stacionárnych stavoch zodpovedajúcich rôznym prípustným zákonom správania tohto systému.

IN nelineárne systémy vývoj postupuje podľa nelineárnych zákonov, čo vedie k mnohorozmernému výberu ciest a alternatív pre opustenie stavu nestability. IN nelineárne systémy procesy sa môžu opotrebovať ostro prahový charakter keď sa pri postupnej zmene vonkajších podmienok pozoruje prudký prechod do inej kvality. Zároveň sú zničené staré štruktúry a presúvajú sa do kvalitatívne nových štruktúr.

Pridajte svoju cenu do databázy

Komentár

Termodynamika (grécky θέρμη - „teplo“, δύναμις – „sila“) je oblasť fyziky, ktorá študuje najvšeobecnejšie vlastnosti makroskopických systémov a spôsoby prenosu a transformácie energie v takýchto systémoch.

V termodynamike sa študujú stavy a procesy, na opis ktorých možno zaviesť pojem teplota. Termodynamika (T.) je fenomenologická veda založená na zovšeobecneniach experimentálnych faktov. Procesy vyskytujúce sa v termodynamických systémoch sú popísané makroskopickými veličinami (teplota, tlak, koncentrácie zložiek), ktoré sú zavedené pre popis systémov pozostávajúcich z veľkého počtu častíc a nie sú použiteľné pre jednotlivé molekuly a atómy, na rozdiel napr. veličiny zavedené v mechanike alebo elektrodynamike.

Moderná fenomenologická termodynamika je rigorózna teória vyvinutá na základe niekoľkých postulátov. Súvislosť týchto postulátov s vlastnosťami a zákonitosťami interakcie častíc, z ktorých sú vybudované termodynamické systémy, je však daná štatistickou fyzikou. Štatistická fyzika tiež umožňuje objasniť hranice použiteľnosti termodynamiky.

Zákony termodynamiky sú všeobecnej povahy a nezávisia od konkrétnych detailov štruktúry hmoty na atómovej úrovni. Preto sa termodynamika úspešne uplatňuje v širokom spektre problémov vedy a techniky, ako je energetika, tepelné inžinierstvo, fázové prechody, chemické reakcie, transportné javy a dokonca aj čierne diery. Termodynamika je dôležitá pre širokú škálu oblastí fyziky a chémie, chemickej technológie, leteckého inžinierstva, strojárstva, bunkovej biológie, biomedicínskeho inžinierstva, materiálovej vedy a dokonca nachádza svoje uplatnenie aj v oblastiach, ako je ekonómia.

Dôležité roky v histórii termodynamiky

• Vznik termodynamiky ako vedy sa spája s menom G. Galileiho, ktorý zaviedol pojem teplota a navrhol prvé zariadenie, ktoré reagovalo na zmeny okolitej teploty (1597).
• Čoskoro G. D. Fahrenheit (1714), R. Reaumur (1730) a A. Celsius (1742) vytvorili teplotné stupnice v súlade s týmto princípom.
• J. Black v roku 1757 už zaviedol pojmy latentné teplo topenia a tepelnú kapacitu (1770). A Wilcke (J. Wilcke, 1772) zaviedol definíciu kalórií ako množstvo tepla potrebného na zohriatie 1 g vody o 1 °C.
• Lavoisier (A. Lavoisier) a Laplace (P. Laplace) navrhli v roku 1780 kalorimeter (pozri Kalorimetria) a prvýkrát experimentálne určili tep. tepelná kapacita množstva látok.
• V roku 1824 S. Carnot (N. L, S. Carnot) publikoval prácu venovanú štúdiu princípov činnosti tepelných strojov.
• B. Clapeyron zaviedol grafické znázornenie termodynamických procesov a vyvinul metódu infinitezimálnych cyklov (1834).
• G. Helmholtz zaznamenal univerzálny charakter zákona zachovania energie (1847). Následne R. Clausius a W. Thomson (Kelvin; W. Thomson) systematicky rozvíjali teoretický aparát termodynamiky, ktorý vychádza z prvého termodynamického zákona a druhého termodynamického zákona.
• Vývoj 2. princípu viedol Clausia k definícii entropie (1854) a formulácii zákona o zvyšovaní entropie (1865).
• Počnúc prácou J. W. Gibbsa (1873), ktorý navrhol metódu termodynamických potenciálov, bola vyvinutá teória termodynamickej rovnováhy.
• V 2. pol. 19. storočie uskutočnili sa štúdie skutočných plynov. Osobitnú úlohu zohrali experimenty T. Andrewsa, ktorý prvýkrát objavil kritický bod systému kvapalina-para (1861), jeho existenciu predpovedal D. I. Mendelejev (1860).
• Do konca 19. stor. veľký pokrok bol dosiahnutý pri dosahovaní nízkych teplôt, v dôsledku čoho došlo k skvapalneniu O2, N2 a H2.
• V roku 1902 Gibbs publikoval prácu, v ktorej boli získané všetky základné termodynamické vzťahy v rámci štatistickej fyziky.
• Spojenie medzi kinetickou vlastnosti telesa a jeho termodynamika. charakteristiky stanovil L. Onsager (L. Onsager, 1931).
• V 20. storočí intenzívne študoval termodynamiku pevných látok, ako aj kvantových kvapalín a tekutých kryštálov, v ktorých prebiehajú rôzne fázové prechody.
• L. D. Landau (1935-37) vypracoval všeobecnú teóriu fázových prechodov založenú na koncepte spontánneho narušenia symetrie.

Úseky termodynamiky

Moderná fenomenologická termodynamika sa zvyčajne delí na rovnovážnu (alebo klasickú) termodynamiku, ktorá študuje rovnovážne termodynamické systémy a procesy v takýchto systémoch, a nerovnovážnu termodynamiku, ktorá študuje nerovnovážne procesy v systémoch, v ktorých je odchýlka od termodynamickej rovnováhy relatívne malá a stále umožňuje termodynamické popis.

Rovnovážna (alebo klasická) termodynamika

V rovnovážnej termodynamike sa zavádzajú premenné ako vnútorná energia, teplota, entropia a chemický potenciál. Všetky sa nazývajú termodynamické parametre (veličiny). Klasická termodynamika študuje vzťahy termodynamických parametrov medzi sebou navzájom a s fyzikálnymi veličinami, ktoré sa berú do úvahy v iných odvetviach fyziky, napríklad s gravitačným alebo elektromagnetickým poľom pôsobiacim na systém. Chemické reakcie a fázové prechody sú tiež zahrnuté do štúdia klasickej termodynamiky. Štúdium termodynamických systémov, v ktorých majú významnú úlohu chemické premeny, je však predmetom chemickej termodynamiky a technickými aplikáciami sa zaoberá tepelná technika.

Klasická termodynamika zahŕňa nasledujúce časti:

• princípy termodynamiky (niekedy nazývané aj zákony alebo axiómy)
• stavové rovnice a vlastnosti jednoduchých termodynamických systémov (ideálny plyn, reálny plyn, dielektrika a magnety atď.)
• rovnovážne procesy s jednoduchými sústavami, termodynamické cykly
• nerovnovážne procesy a zákon neklesajúcej entropie
• termodynamické fázy a fázové prechody

Okrem toho moderná termodynamika zahŕňa aj tieto oblasti:

• prísna matematická formulácia termodynamiky založená na konvexnej analýze
• neextenzívna termodynamika

V systémoch, ktoré nie sú v stave termodynamickej rovnováhy, napríklad v pohybujúcom sa plyne, možno použiť aproximáciu lokálnej rovnováhy, pri ktorej sa predpokladá, že rovnovážne termodynamické vzťahy sú splnené lokálne v každom bode systému.

Nerovnovážná termodynamika

V nerovnovážnej termodynamike sa premenné považujú za lokálne nielen v priestore, ale aj v čase, to znamená, že čas môže explicitne vstupovať do svojich vzorcov. Pripomeňme, že klasické Fourierovo dielo „Analytická teória tepla“ (1822), venované problematike tepelnej vodivosti, predbehlo nielen vznik nerovnovážnej termodynamiky, ale aj Carnotovu prácu „Úvahy o hnacej sile ohňa a pod. stroje schopné vyvinúť túto silu“ (1824), ktorý sa všeobecne považuje za východiskový bod v dejinách klasickej termodynamiky.

Základné pojmy termodynamiky

Termodynamický systém- teleso alebo skupina tiel interagujúcich, duševne alebo skutočne izolovaných od okolia.

Homogénny systém– systém, v ktorom nie sú žiadne povrchy oddeľujúce časti systému (fázy), ktoré sa líšia vlastnosťami.

Heterogénny systém- systém, v rámci ktorého sú plochy oddeľujúce časti systému, ktoré sa líšia vlastnosťami.

Fáza– súbor homogénnych častí heterogénneho systému, identických vo fyzikálnych a chemických vlastnostiach, oddelených od ostatných častí systému viditeľnými rozhraniami.

Izolovaný systém- systém, ktorý si s okolím nevymieňa ani hmotu, ani energiu.

ZATVORENÉ systém- systém, ktorý si vymieňa energiu s okolím, ale nevymieňa hmotu.

OTVORENÉ systém- systém, ktorý si s okolím vymieňa hmotu aj energiu.

Súhrn všetkých fyzikálnych a chemických vlastností systému ho charakterizuje termodynamický stav. Všetky veličiny charakterizujúce akúkoľvek makroskopickú vlastnosť posudzovaného systému sú stavové parametre. Experimentálne sa zistilo, že na jednoznačnú charakteristiku daného systému je potrebné použiť určitý počet parametrov tzv. nezávislý; všetky ostatné parametre sa považujú za funkcie nezávislých parametrov. Parametre, ktoré možno priamo merať, ako je teplota, tlak, koncentrácia atď., sa zvyčajne volia ako parametre nezávislého stavu. Akákoľvek zmena termodynamického stavu systému (zmena aspoň jedného stavového parametra) je termodynamický proces.

Reverzibilný proces- proces, ktorý umožňuje systému vrátiť sa do pôvodného stavu bez toho, aby v prostredí zostali akékoľvek zmeny.

Rovnovážny proces– proces, pri ktorom systém prechádza súvislým radom rovnovážnych stavov.

energie– miera schopnosti systému vykonávať prácu; všeobecná kvalitatívna miera pohybu a interakcie hmoty. Energia je integrálnou vlastnosťou hmoty. Rozlišuje sa potenciálna energia, spôsobená polohou telesa v poli určitých síl, a kinetická energia, spôsobená zmenou polohy telesa v priestore.

Vnútorná energia systému– súčet kinetickej a potenciálnej energie všetkých častíc, ktoré tvoria systém. Môžete tiež definovať vnútornú energiu systému ako jeho celkovú energiu mínus kinetickú a potenciálnu energiu systému ako celku.

Formy energetického prechodu

Formy prenosu energie z jedného systému do druhého možno rozdeliť do dvoch skupín.

1. Do prvej skupiny patrí len jedna forma prechodu pohybu cez chaotické zrážky molekúl dvoch kontaktujúcich telies, t.j. vedením tepla (a zároveň sálaním). Mierou pohybu prenášaného týmto spôsobom je teplo. Teplo je forma prenosu energie prostredníctvom neusporiadaného pohybu molekúl.
2. Do druhej skupiny patria rôzne formy prechodu pohybu, ktorých spoločným znakom je pohyb hmôt pokrývajúcich veľmi veľké množstvo molekúl (t.j. makroskopických hmôt) vplyvom akýchkoľvek síl. Sú to zdvíhanie telies v gravitačnom poli, prechod určitého množstva elektriny z vyššieho elektrostatického potenciálu na menší, expanzia plynu pod tlakom atď. Všeobecnou mierou pohybu prenášaného takýmito metódami je práca - forma prenosu energie prostredníctvom usporiadaného pohybu častíc.

Teplo a práca charakterizujú kvalitatívne a kvantitatívne dve rôzne formy prenosu pohybu z danej časti hmotného sveta do druhej. Teplo a práca nemôžu byť obsiahnuté v tele. Teplo a práca vznikajú len vtedy, keď nastane nejaký proces, a charakterizujú iba proces. Za statických podmienok teplo a práca neexistujú. Rozdiel medzi teplom a prácou, akceptovaný termodynamikou ako východisková poloha, a protiklad tepla k práci má zmysel len pre telesá pozostávajúce z mnohých molekúl, pretože pre jednu molekulu alebo pre súbor niekoľkých molekúl strácajú pojmy teplo a práca svoj význam. Termodynamika preto považuje len telesá pozostávajúce z veľkého počtu molekúl, t.j. takzvané makroskopické systémy.

Tri princípy termodynamiky

Princípy termodynamiky sú súborom postulátov, ktoré sú základom termodynamiky. Tieto ustanovenia boli stanovené ako výsledok vedeckého výskumu a boli dokázané experimentálne. Sú akceptované ako postuláty, takže termodynamika môže byť konštruovaná axiomaticky.

Potreba princípov termodynamiky je daná tým, že termodynamika popisuje makroskopické parametre systémov bez špecifických predpokladov týkajúcich sa ich mikroskopickej štruktúry. Problematikou vnútornej štruktúry sa zaoberá štatistická fyzika.

Princípy termodynamiky sú nezávislé, to znamená, že žiadny z nich nemožno odvodiť od iných princípov. Analógy troch Newtonových zákonov v mechanike sú tri princípy v termodynamike, ktoré spájajú pojmy „teplo“ a „práca“:

• Nulový zákon termodynamiky hovorí o termodynamickej rovnováhe.
• Prvý zákon termodynamiky hovorí o zachovaní energie.
• Druhý zákon termodynamiky hovorí o tepelných tokoch.
• Tretí zákon termodynamiky hovorí o nedosiahnuteľnosti absolútnej nuly.

Všeobecný (nulový) zákon termodynamiky

Všeobecný (nulový) zákon termodynamiky hovorí, že dve telesá sú v tepelnej rovnováhe, ak si môžu navzájom odovzdávať teplo, no nestane sa tak.

Nie je ťažké uhádnuť, že dve telesá si navzájom neprenášajú teplo, ak sú ich teploty rovnaké. Ak napríklad meriate teplotu ľudského tela teplomerom (na konci merania sa teplota osoby a teplota teplomera budú rovnať) a potom pomocou toho istého teplomera zmeriate teplotu vody v kúpeľni a ukáže sa, že obe teploty sa zhodujú (medzi človekom a teplomerom a teplomerom s vodou je tepelná rovnováha), môžeme povedať, že človek je v tepelnej rovnováhe s vodou vo vani.

Z vyššie uvedeného môžeme formulovať nulový zákon termodynamiky takto: dve telesá, ktoré sú v tepelnej rovnováhe s tretím, sú v tepelnej rovnováhe aj navzájom.

Z fyzikálneho hľadiska určuje referenčný bod nulový termodynamický zákon, keďže medzi dvoma telesami, ktoré majú rovnakú teplotu, nedochádza k tepelnému toku. Inými slovami, môžeme povedať, že teplota nie je nič iné ako indikátor tepelnej rovnováhy.

Prvý zákon termodynamiky

Prvým termodynamickým zákonom je zákon zachovania tepelnej energie, ktorý hovorí, že energia nezmizne bez zanechania stopy.

Systém môže tepelnú energiu Q absorbovať alebo uvoľňovať, pričom systém vykoná prácu W na okolitých telesách (alebo okolité telesá vykonávajú prácu na systéme) a vnútorná energia systému, ktorá mala počiatočnú hodnotu Uninit, bude rovná sa Uend:

Uend-Ustart = ΔU = Q-W

Tepelná energia, práca a vnútorná energia určujú celkovú energiu systému, ktorá je konštantnou hodnotou. Ak je určité množstvo tepelnej energie Q odovzdané (odobraté) zo systému, pri absencii práce sa množstvo vnútornej energie systému U zvýši (zníži) o Q.

Druhý zákon termodynamiky

Druhý termodynamický zákon hovorí, že tepelná energia sa môže pohybovať len jedným smerom – z telesa s vyššou teplotou do telesa s nižšou teplotou, ale nie naopak.

Tretí zákon termodynamiky

Tretí termodynamický zákon hovorí, že akýkoľvek proces pozostávajúci z konečného počtu stupňov mu nedovolí dosiahnuť teplotu absolútnej nuly (hoci sa jej možno výrazne priblížiť).

Strana 1

Podstata druhého termodynamického zákona je do určitej miery obsiahnutá v skutočnostiach popísaných v dvoch predchádzajúcich odsekoch. Je zrejmé, že nevychádzajú z abstraktných predstáv či teoretických záverov, ale z výsledkov priamej skúsenosti. Úlohou je zovšeobecniť ich a vyvodiť z takéhoto zovšeobecnenia možno ďalekosiahle závery.

Podstata druhého termodynamického zákona spočíva v tom, že formuluje podmienky, za ktorých dochádza k premene energie na mechanickú. Druhý termodynamický zákon má zmysel len v obmedzenej oblasti. Všetky závery termodynamiky, ako aj všetky jej základné pojmy (prenos tepla, teplota) majú zmysel len pri zvažovaní určitej oblasti javov.

Ak stručne zhrnieme podstatu druhého termodynamického zákona, môžeme povedať, že nekompenzovaný prenos tepla do práce je nemožný. Z nemožnosti jedného procesu - procesu nekompenzovaného prenosu tepla do práce - vyplýva nemožnosť nespočetných procesov; Všetky tieto procesy sú nemožné, ktorých neoddeliteľnou súčasťou by bol nekompenzovaný prenos tepla do práce.

Ako bolo objasnené vyššie, podstatou druhého termodynamického zákona je, že počet rovnovážnych stavov je v porovnaní s počtom nerovnovážnych rozdelení ohromne veľký. Pre vesmír pozostávajúci z nekonečne veľkého počtu častíc však toto tvrdenie stráca zmysel. V skutočnosti sa počet rovnovážnych stavov aj počet nerovnovážnych stavov stáva nekonečne veľkým.

Ako bolo objasnené vyššie, podstatou druhého termodynamického zákona je, že počet rovnovážnych stavov je v porovnaní s počtom nerovnovážnych rozdelení ohromne malý. Pre vesmír pozostávajúci z nekonečne veľkého počtu častíc však toto tvrdenie stráca zmysel. V skutočnosti sa počet rovnovážnych stavov aj počet nerovnovážnych stavov stáva nekonečne veľkým.

Je známe, že z pedagogického hľadiska nie je striktné predstavenie podstaty druhého termodynamického zákona a jeho bezprostredných dôsledkov ani zďaleka jednoduché. Tieto ťažkosti pri prezentovaní druhého princípu by neexistovali, ak by druhý princíp určoval, ako sa niekedy domnieva, konvertibilitu jedného druhu energie na iný. Druhý princíp totiž istým spôsobom obmedzuje premenu jednej formy prenosu energie – tepla – na inú formu prenosu energie – prácu.

O niečo neskôr ukážeme, že myšlienka entropie odráža podstatu druhého zákona termodynamiky, rovnako ako myšlienka vnútornej energie odráža podstatu prvého zákona.

Ďalej sa budeme riadiť myšlienkami o dvoch typoch zákonitostí, o ktorých sa tu diskutuje pri štúdiu celej štatistickej fyziky, a tiež najmä pri objasňovaní podstaty druhého termodynamického zákona, ktorý, ako sa ukáže, je štatistický zákon. Vzťah medzi štatistickou fyzikou a obyčajnou termodynamikou je založený na prijatí štatistického zákona.

Carnotova práca prispela k zavedeniu princípu, ktorý umožnil určiť najvyššiu možnú účinnosť tepelného motora. Podstata druhého termodynamického zákona podľa Clausiusa spočíva v tom, že teplo sa samo nemôže presunúť z chladnejšieho telesa do teplejšieho.

Procesy sú reverzibilné a nezvratné. Ak stručne zhrnieme podstatu druhého termodynamického zákona, môžeme povedať, že nekompenzovaný prenos tepla do práce je nemožný. Kompenzáciou tu treba rozumieť zmenu termodynamického stavu telesa alebo viacerých telies; v tomto prípade sa neberie do úvahy nevyhnutná zmena stavu (ochladzovanie) telesa uvoľňujúceho teplo.

Úplné pochopenie podstaty druhého termodynamického zákona a zároveň vyriešenie problému tepelnej smrti prišlo cestou hlbokého preniknutia do podstaty pojmu teplo, cestou objasnenia základov a rozvoj molekulárnej kinetickej teórie.

Ak by sme teda chceli odoberať teplo chladnejšiemu telesu a preniesť ho do teplejšieho, museli by sme na to vynaložiť ďalšiu energiu. Táto poloha tvorí podstatu druhého termodynamického zákona, ktorý je formulovaný takto: samovoľný prenos tepla z chladnejšieho telesa na teplejšie teleso je nemožný.

Koncept takzvanej absolútnej teploty hrá v termodynamike obzvlášť dôležitú úlohu. Tento pojem úzko súvisí s podstatou druhého zákona termodynamiky.

V dôsledku toho je rovnica pre prvok tepla vždy (pre ľubovoľný počet argumentov) holonomická. Na želanie môžeme predpokladať, že podstata druhého termodynamického zákona spočíva práve v tom, že medzi koeficientmi rovnice pre prvok tepla je vždy vzťah, ktorý zabezpečuje holonómiu tejto rovnice.

Až po výskumoch a úvahách Mayera, Jouleho a Helmholtza, ktorí stanovili zákon ekvivalencie tepla a práce, prišiel nemecký fyzik Rudolf Clausius (1822 - 1888) k druhému termodynamickému zákonu a matematicky ho sformuloval. Clausius zaviedol entropiu do úvahy a ukázal, že podstata druhého termodynamického zákona spočíva v nevyhnutnom raste entropie vo všetkých reálnych procesoch.