Второй закон термодинамики. Определение, формулировка и вывод

Второй закон термодинамики. Энтропия. Термодинамические параметры. Объединённое уравнение первого и второго законов.

2 з-н т/д определяет  направление, в котором протекают, устанавливает условия преобразования тепловой энергии в механическую, а также определяет макс. значение работы, которая м.б произведена тепловым двигателем.
2 з-н т/д математически м.б выражен следующим образом:
dS ≥ dQ/T;
где dS – бесконечно малое приращение энтропии системы;
dQ – бесконечно малое количество теплоты, полученного системой от источника тепла;
T – абсолютная температура источника теплоты.

Формулировка 2 закона термодинамики

Существует несколько формулировок 2-го закона.

Приведем некоторые:

1) самопроизвольный переход теплоты возможен лишь от более горячего тела к более холодному; обратный переход требует компенсации в виде затрат работ.

2) вечный двигатель второго рода невозможен, т.е. невозможен такой двигатель, который преобразовывает полностью теплоту в работу, т.е. работает без холодного источника.

Данные формулировки связаны друг с другом. Например, если допустить, что возможен самопроизвольный переход теплоты холодного тела к горячему, то это означает возможность вечного двигателя второго рода. Или если возможен вечный двигатель 2-го рода, то после полного преобразования теплоты в работу возможно полное преобразование работы в теплоту на более высоком уровне.

Что такое энтропия?

Энтропия – функция состояния системы, определяемая тем, что в обратимом процессе элементарное изменение dS определяется отношением количества теплоты, которой обменивается термодинамическая система на бесконечно малом участке к температуре этого участка: dS ≥ dQ/T;
Энтропию нельзя измерить подобно температуре или давлению, её только можно рассчитать. Она связывает температуру и теплоту процесса протекающего в системе. Энтропия – [S] = кДж/К — параметр аддитивный, относящийся ко всей системе.

Термодинамические параметры — что это такое?

Термодинамические параметры (ТДП) – макроскопические признаки, характеризующие состояние системы и её отношение с окружающей средой. ТДП-р обладает одним существенным признаком – его величина в данном состоянии системы не зависит от того, каким путём система пришла в данное состояние. ТДП-р относится к системе в постоянном равновесии:

ТДП-р является функцией состояния системы. Например, p, T, V, U, H, A, G, ρ. ТДП разделяют на интенсивные и экстенсивные.

Интенсивные – параметры, которые не зависят от массы системы (p, T). Экстенсивные (аддитивные)-зависят от массы системы и относятся ко всей системе. ТДП-ры разделяют на термические и калорические. К первым относят p, T, V.  Все другие объединяет то, что в их размерности присутствует единица энергии (Дж).

Также различают внешние и внутренние ТДП-ры. Внешние те, которые определяются условиями сопряжения с окружающей средой. Внутренние параметры определяются внутренним состоянием системы при заданных внешних параметрах.

Для системы , состоящей из n частей S = ∑Sj – сумма энтропий, образующих систему подсистем.
Для системы однородной массы  S = s•m, где s – удельная массовая энтропия вещества, [кДж/К•кг].
dS = dQ/T      (1)

dS > dQ/T      (2)

Объединяя выражения (1) и (2) получим зависимость dS ≥ dQ/T,
которое определяет аналитическое выражение 2-го закона термодинамики. > — необратимый процесс,
= — обратимый процесс.

Для изолированной системы получаем, что энтропия изолированной системы ни в каком случае не может уменьшаться, т.е. dS ≥ 0. Отсюда следует, что если энтропия системы достигла максимума, то система пришла в равновесие, в ней не протекают никакие процессы, система умерла.

Объединение выражения (3) и выражения для закрытой системы dq = du + +dl, dq = di + dl, получаем:
TdS ≥ dU + dl;     TdS ≥ di + dlT.

Объединённые выражения для 1-го и 2-го законов термодинамики

TdS ≥ dU + dL; TdS  ≥ di + dlT       dA ≤ — SdT – dL; dG ≤ — SdT — dLT
где А = U – I•S – энергия Гельмгольца.
G = I – T•S – энергия Гиббса. (аддитивные величины).