Второе начало термодинамики гласит, что невозможен самопроизвольный переход тепла от тела, менее нагретого, к телу, более нагретому

Второе начало термодинамики запрещает так называемые вечные двигатели второго рода, показывая что коэффициент полезного действия не может равняться единице, поскольку для кругового процесса температура холодильника не может равняться абсолютному нулю.

Второе начало термодинамики является постулатом, не доказываемым в рамках термодинамики. Оно было создано на основе обобщения опытных фактов и получило многочисленные экспериментальные подтверждения.

Энтропия является мерой неупорядоченности системы, — чем больше число микросостояний, реализующих данное макросостояние, тем больше энтропия. Все процессы в замкнутой системе ведут к увеличению её энтропии. В замкнутой системе идут в направлении от менее вероятных состояний к более вероятным, до тех пор, пока вероятность состояния не станет максимальной. В состоянии равновесия — наиболее вероятного состояния системы — число микросостояний максимально, при этом максимальна и энтропия. Неравенство Клаузиуса: энтропия замкнутой системы может либо возрастать (в случае необратимых процессов) либо оставаться постоянной (в случае обратимых процессов).

Второе начало термодинамики: система представленная сама себе движется в сторону более равновесного состояния, т.е. энтрапия максимальна. Любой необратимый процесс в замкнутой системе происходит так, что энтропия системы при этом возрастает (закон возрастания энтропии): Третье начало термодинамики —

теорема Нернста–Планка — постулирует поведение термодинамических систем при нуле Кельвина (абсолютном нуле): энтропия всех тел в состоянии равновесия стремится к нулю по мере приближения температуры к нулю Кельвина.

 

№2.10

Термодинамический процесс называется обратимым, если он может происходить как в прямом, так и в обратном направлении. Причем, если такой процесс происходит сначала в прямом, а затем в обратном направлении и система возвращается в исходное состояние, то в окружающей среде и в этой системе не происходит никаких изменений. Всякий процесс, не удовлетворяющий этим условиям, является необратимым. Реальные процессы необратимы, в них всегда происходит диссипация (потеря) энергии (из-за трения, теплопроводности и т.д.). Обратимые процессы — это физическая модель — идеализация реальных процессов. Круговым процессом (или циклом) называется процесс, при котором система, пройдя через ряд состояний, возвращается в исходное состояние. Работа за цикл A определяется площадью, охватываемой замкнутой кривой. КПД:

Обратный цикл используется в холодильных машинах (за счет работы внешних сил теплота переносится к телу с более высокой температурой). Тепловой двигатель — тепловая машина, превращающая тепло в механическую энергию.

 

Теорема Карно КПД обратимых машин, работающих при одинаковых температурах нагревателей и холодильников, равны друг другу и не зависят от природы рабочего тела, а определяются только температурами нагревателя и холодильника. Наиболее экономичный обратимый круговой процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Из всех периодически действующих тепловых машин, имеющих одинаковые температуры нагревателей T₁ и холодильников T₂, наибольшим КПД обладают обратимые машины.

 

№2.11

Термодинамические потенциалы (термодинамические функции) — функции основных макроскопических параметров (температура, давление, энтропия и т. д.) термодинамической системы, характеризующие её состояние. Внутренняя энергия определяется в соответствии с первым началом термодинамики как разность между количеством теплоты, сообщенным системе, и работой, совершенной системой над внешними телами.

 

Свободная энергия: Энтальпия: Потенциал Гиббса:

Соотношения Максвелла:

 

Критерии:

 

№2.12

Явлениями переноса называются необратимые процессы в термодинамически неравновесных системах, в которых происходит пространственный перенос энергии теплопроводность), массы (диффузия), импульса (внутреннее трение). Градиент: Время релаксации -промежуток времени, в течение которого выведенная из равновесия система возвращается в состояние термодинамического равновесия. Путь, который в среднем проходят молекулы между двумя последовательными столкновениями называется средней длиной свободного пробега молекул .

Эффективное сечение: среднее число столкновений, испытываемых одной молекулой газа за 1с:

Теплопроводность: если в одной области газа средняя кинетическая энергия молекул больше, чем в другой, то с течением времени вследствие постоянных столкновений молекул происходит процесс выравнивания средних кинетических энергий молекул — выравнивание температур. Явление диффузии заключается в том, что происходит самопроизвольное проникновение и перемешивание частиц двух соприкасающихся газов, жидкостей и даже твердых тел; диффузия сводится к обмену частицами (перенос масс) между этими телами, возникает и продолжается, пока существует градиент плотности. Внутреннее трение (вязкость). Вследствие хаотического теплового движения молекул происходит обмен молекулами между слоями газа движущимися с различными скоростями, в результате чего импульс слоя, движущегося быстрее, уменьшается, а движущегося медленнее — увеличивается (происходит перенос импульса от одного слоя к другому). Это приводит к торможению слоя, движущегося быстрее, и ускорению слоя, движущегося медленнее.

 

№2.13

Перенос энергии (в форме теплоты) описывается законом Фурье. Коэффициент теплопроводности:

Уравнение Фурье: Перенос массы (диффузия) для химически однородного газа подчиняется закону Фика:

Коэффициент диффузии:

Закон Фика:

 

Формулы для коэффициентов λ, D и η связывают коэффициенты переноса и характеристики теплового движения молекул:

Внутреннее трение(вязкость) описывается законом Ньютона:

Коэффициент вязкости:

Кинематическая вязкость может быть получена как отношение динамической вязкости к плотности вещества. Сила вязкого трения:

Динамическая вязкость: Вакуум: среда, содержащая газ при давлениях значительно ниже атмосферного. Вакуум характеризуется соотношением между длиной свободного пробега молекул газа λ и характерным размером процесса d. В зависимости от величины соотношения λ/d различают низкий (λ/d<<1), средний (λ/d~1) и высокий (λ/d>>1) вакуум.

№2.14