второе начало термодинамики

ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ

устанавливает существование энтропии как функции состояния макроскопич. системы и вводит понятие абс. термодинамич. температуры. Утверждает, что все процессы, протекающие с конечной скоростью, в принципе необратимы, и дает термодинамич. критерии для определения направленности процессов. Вместе с первым началом термодинамики — основа классич., или феноменологич., термодинамики, которую можно рассматривать как развитую систему следствий этих двух начал.

Существует неск. разл. формулировок В. н. т. и способов его обоснования, однако все они взаимосвязаны и в конечном счете эквивалентны. В частности, В. н. т. можно формулировать как невозможность создания вечного двигателя второго рода — устройства, в котором рабочее тело совершало бы в периодич. цикле работу, находясь в тепловом контакте с одним источником теплоты (В. Оствальд, 1888). Во всех реальных тепловых двигателях превращение теплоты в работу обязательно сопровождается передачей определенного количества теплоты окружающим телам и изменением их термодинамич. состояния, т. е. необратимо. Согласно В. н. т., необратимость того или иного процесса означает, что систему, в которой произошел процесс, невозможно вернуть в исходное состояние без к.-л. изменений в окружающей среде. Процессы, допускающие возвращение в исходное состояние как самой системы, так и внеш. среды без к.-л. изменений в них, наз. обратимыми. Обратимы лишь квазистатич. процессы, представляющие собой непрерывную последовательность состояний равновесия и протекающие бесконечно медленно. Все естеств. процессы, происходящие с конечными скоростями, необратимы; они протекают самопроизвольно в одном направлении. Помимо перехода теплоты в работу в циклич. процессах, необратимыми являются, напр., процессы выравнивания температуры (теплопроводность) или концентрации компонентов системы (диффузия), хим. реакции.

Согласно наиболее общей формулировке В. н. т., бесконечно малое количество тепла0, т. е. возможны лишь процессы, сопровождающиеся увеличением энтропии (закон возрастания энтропии). В состоянии равновесия энтропия изолированной системы достигает максимума и никакие макроскопич. процессы в такой системе невозможны.

Первое начало термодинамики, представляющее собой закон сохранения энергии для систем, в которых происходят тепловые и мех. процессы, не позволяет судить об эволюции термодинамич. системы. Значение В.н.т. состоит в том, что оно позволяет выделить фактически возможные в системе процессы из всех допускаемых первым началом и определить состояние термодинамич. равновесия системы, в котором никакие макроскопич. процессы без изменения внеш. условий невозможны. Сочетание В.н.т. в форме. Это неравенство позволяет устанавливать направление протекания самопроизвольных (необратимых) процессов в закрытых системах и критерии равновесия при постоянных значениях любой из пар параметров состояния: Т, р; Т, V; S, р; S, V. Так, в системах, находящихся при постоянных Т и р, процессы самопроизвольно идут в направлении убыли энергии Гиббса G = U + pV— TS, а в состоянии равновесия энергия Гиббса достигает минимума. Это относится, в частности, к хим. реакциям, растворению, изменениям агрегатного состояния и др. превращениям веществ. Последовательное применение В.н.т. к неравновесным системам и протекающим в них необратимым процессам составляет содержание термодинамики необратимых процессов.

Статистич. физика связывает энтропию с вероятностью осуществления данного макроскопич. состояния системы. Для системы из N частиц, обладающей энергией E, энтропия определяется как логарифм статистич. веса вблизи значения Е (k-постоянная Больцмана). Возрастание энтропии изолированной системы обусловлено ее переходом из менее вероятного в более вероятное состояние. Иными словами, эволюция такой системы осуществляется в направлении наиб. вероятного распределения энергии по отдельным частицам или подсистемам (см. статистическая термодинамика). Однако вследствие флуктуации, обусловленных хаотич. движением образующих систему частиц, возможен переход системы из более вероятного в менее вероятное состояние; при этом энтропия системы уменьшается. Наличие флуктуации приводит к тому, что закон возрастания энтропии выполняется только в среднем для достаточно большого промежутка времени.

Само название "В. н. т." и исторически первая его формулировка (1850) принадлежат Р. Клаузиусу; последующие формулировки связаны с именами У. Томсона, В. Оствальда, С. Карно, Л. Больцмана. Буквальное применение В. н. т. к Вселенной как целому привело Р. Клаузиуса к ошибочному выводу о неизбежности "тепловой смерти" Вселенной после достижения ею максимума энтропии.

^{Лит. см. при статьях статистическая термодинамика, химическая термодинамика.}

_{В. А. Михайлов}

Химическая энциклопедия

второе начало термодинамики

Значения в других словарях