Энтропия необратимых процессов

Введенное в подразд. 2.3 понятие энтропии как функции состояния имеет в дифференциальной форме следующее выражение:

ds = dq / T. (3.10)

Параметр состояния s, отнесенный к 1 кг рабочего тела (в качестве которого принимался идеальный газ), оказался весьма важной характеристикой, позволяющей широко пользоваться тепловой диаграммой Т, s, что облегчает и углубляет анализ процессов и циклов.

Рассмотрим изменение энтропии термодинамических систем, в которых происходят необратимые процессы.

Пусть изолированная система состоит из двух тел, имеющих различную температуру, причем T₁ > T₂ (рис. 3.7). Процесс теплообмена будет происходить при конечной разности температур, следовательно, он будет необратимым. Тепло будет передаваться от тела с большей температурой Т₁ к телу с меньшей температурой Т₂. Энтропия первого тела при передаче тепла dQ уменьшится в соответствии с формулой (3.10) на величину

ds₁ = – dQ / T₁, (3.11)

а энтропия второго тела возрастет на

ds₂ = – dQ / T₂. (3.12)

Изменение же энтропии всей рассматриваемой системы

. (3.13)

Так как по условию T₁ > T₂, то

ds_c > 0. (3.14)

Следовательно, в результате необратимого процесса теплообмена между телами замкнутой изолированной системы энтропия последней возрастает.

Необратимый перенос тепла от горячего тела к холодному может быть осуществлен также посредством совершения необратимого цикла. Для этого термодинамическая система кроме источников тепла (или тел с различной температурой) должна включать в себя рабочее тело. Однако введение рабочего тела не должно повлиять на изменение энтропии системы, так как за цикл рабочее тело возвращается в исходное состояние и изменения его энтропии не происходит: Δs_р.т = 0.

Поэтому не только при непосредственном теплообмене между телами, но и в случае совершения изолированной системой необратимого цикла энтропия ее возрастает.

Изменение энтропии изолированных систем, в которых протекают обратимые процессы, равно нулю (из соотношения ds = dQ / T при ds_c = 0), тогда в общем случае для любых процессов

ds_c … 0. (3.15)

Таким образом, какие бы процессы ни протекали в изолированной системе, ее энтропия не может уменьшаться. Другими словами, энтропия изолированных систем стремится к максимуму. Достижение максимума энтропии соответствует полному тепловому равновесию элементов системы. Самопроизвольные процессы становятся невозможными, система становится неспособной к самопроизвольному изменению состояния.

С этих позиций можно дать следующее определение энтропии. Энтропия есть физическая величина, характеризующая обесценивание, рассеяние, деградацию энергии. Энтропия – мера работоспособности системы.

С принципом возрастания энтропии в замкнутых системах связана теория «тепловой смерти Вселенной», выдвинутая Клаузиусом. «Энтропия мира стремится к максимуму, – заявил Клаузиус, – что достигается при наступлении полного равновесия за счет односторонне протекающих в природе процессов, после чего прекращаются всякие тепловые процессы и наступает «тепловая смерть».

Ошибочность его концепций состояла в том, что он принимал Вселенную в качестве конечной изолированной системы, в то время как она бесконечна.