Три начала термодинамики

Тема 4.3. Принцип возрастания энтропии

Основные понятия

1)Формы энергии: тепловая, химическая, механическая, электрическая

2)Первый закон термодинамики — закон сохранения энергии при ее превращениях

1 закон термодинамики как утверждение о невозможности вечного двигателя первого рода

3)Изолированные и открытые системы

4)Второй закон термодинамики - принцип возрастания энтропии в изолированных системах

5)Изменение энтропии тел при теплообмене между ними

6) 2закон термодинамики как принц направленности теплообмена (от горячего к холодному)

7)2 закон термодинамики как утверждение о невозможности вечного двигателя второго рода

 Краткое содержание

Наиболее общей и универсальной количественной мерой физических и химических, а также некоторых биологических форм движения материи является энергия.

Энергия—

• это физическая величина, являющаяся общей количественной мерой движения и взаимодействия всех видов материи, всех ее структурных уровней;

• это способность тел совершать изменения во внешнем мире.

Изучением энергии, превращением энергии из одной формы в другие занимается термодинамика. Слово термодинамика происходит от греческого слова «термос» (тепло) и «динамос» (сила, мощь).

Законы термодинамики относятся к числу наиболее общих законов природы, которым подчиняются как живые, так и неживые тела. Этим законам подчиняются любые превращения энергии. Исследованием энергии в макроскопических системах (т.е. рассмотрением общих свойств всей системы) занимается классическая (равновесная) термодинамика.

Предмет исследований классической термодинамики – закрытые системы, т.е. системы, которые не обмениваются энергией, веществом и информацией с окружающей средой.

Неравновесная термодинамика изучает процессы в открытых системах, находящихся далеко от равновесного состояния.

Открытые системы– термодинамические системы, которые поддерживаются в определенном состоянии за счет непрерывного притока извне и стока вовне вещества, (т.е. обмениваются с окружающей средой веществом (а также энергией и импульсом)).

К наиболее важному типу открытых систем относятся химические системы, в которых непрерывно протекают химические реакции, происходит поступление реагирующих веществ извне, а продукты реакций отводятся. Биологические системы, живые организмы можно также рассматривать как открытые химические системы.

2. Законы (начала) классической термодинамики

Первое начало термодинамики

Закон сохранения и превращения энергии – количество теплоты, сообщаемое системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы против внешних сил

Согласно этому закону, при любых химических, физических взаимодействиях, при любом перемещении вещества, при любом изменении температуры энергия не возникает и не исчезает, только превращается из одного вида в другой. (выход энергии всегда равен ее затратам, нельзя из ничего получить нечто, за все нужно платить).

Закон сохранения энергии – один из основных законов природы. Он справедлив для любых явлений и процессов, протекающих в природе или создаваемых человеком.

Он связан с абсолютностью, несотворимостью и неуничтожимостью движения материи; охватывает все возможные формы движения, любые виды взаимодействий и в изолированных системах выполняется с абсолютной точностью. Этот закон устанавливает общее свойство качественно различных форм движения

Но можно подумать, что энергия всегда будет существовать в достаточном количестве. Однако если вы будете ездить на автомобиле, наполнив бак бензином, или у вас будет постепенно садиться батарейка карманного фонарика, вы будете что-то терять. Что? Качество энергии.

Множество опытов показывают, что в процессе любого превращения энергии из одного вида в другой всегда происходит снижение качества энергии, или уменьшается количество полезной энергии.

Под качеством энергии понимают меру ее эффективности, или способность совершать полезную работу.

Второе начало термодинамики

Все, что мы наблюдаем в природе, сформулировано во 2-м законе термодинамики. Возможно несколько формулировок:

1)при любом переходе из одного вида в другой некоторое количество первичной энергии всегда теряет свое качество и, следовательно, способность выполнять полезную работу

2)невозможна самопроизвольная передача теплоты от более холодного к более горячему телу

2-ой закон термодинамики подразумевает также, что мы практически никогда не можем восстановить или повторно использовать высококачественную энергию для выполнения полезной работы. Будучи однажды использованной, энергия, которая содержалась в хлебе, бензине, каменном угле, куске урана, выполняет работу и рассеивается в окружающей среде в виде низкокачественного тепла.

тепловые процессы необратимы.

Всякая замкнутая система с течением времени стремится перейти в состояние термодинамического равновесия. Достигнув состояния термодинамического равновесия, замкнутая физическая система остается в нем сколь угодно долго.

Таким образом, все термодинамические процессы в замкнутых физических системах являютсянеобратимымии носят направленный характер.

Направление протекания процессов характеризуется функцией состояния — энтропией, которая неотрицательна, максимальна в состоянии термодинамического равновесия, и отсюда следует вывод:

всякая замкнутая система тел стремится к определенному состоянию (состоянию термодинамического равновесия), для которого энтропия будет максимальной

Направление и течение всех реальных процессов задается изменением S. Все реальные процессы необратимы (в изолированной системе) и направлены в сторону увеличения S.

Состояние термодинамического равновесия обладает наибольшей вероятностью осуществления. При переходе системы из неравновесного состояния в состояние равновесия вероятность состояния возрастает, система переходит от состояния порядка к состоянию хаоса, беспорядка.

Термин «энтропия» (S) употребляется для определения степени неупорядоченности состояния вещества.

Энтропия(от гр.trope- обращение, изменение) –это мера хаотичности, беспорядка или неупорядоченности в системе.

Например, частицы газа находятся в хаотичном движении, они более неупорядочены, чем частицы твердых тел. Следовательно, энтропия газов больше, чем энтропия твердых тел.

Вещество высокого качества, хорошо упорядоченное или сконцентрированное или высококачественная энергия – обладает низкой энтропией.

Вещество низкого качества, рассеянное или энергия, рассеивающаяся в окружающую среду, характеризуется высокой энтропией.

Таким образом, энергия низкого качества, обладающая высокой энтропией, рассеяна настолько, что не способна выполнять полезную работу, то есть высококачественная энергия (низкая энтропия) в отличие от вещества не может быть восстановлена или использована повторно.

Рассмотрим в действии 2-ой закон термодинамики.

Пример 1-й - когда движется автомобиль, в механическую энергию, приводящую его в движение, и электрическую энергию всех его систем превращается всего лишь около 10% получаемой при сгорании бензина высококачественной химической энергии. Остальные 90% в виде бесполезного тепла рассеиваются в окружающей среде и, в конечном счете, теряются в космическом пространстве.

Пример 3-й - когда вы едите растительную пищу, например яблоко, его высококачественная химическая энергия в Вашем организме превращается в высококачественную электрическую и механическую энергии, используемые для движения и обеспечения других процессов жизнедеятельности, а также в низкокачественное тепло.

Таким образом, общее количество концентрированной высококачественной энергии, которую мы можем получать из всех источников, постоянно сокращается, превращаясь в низкокачественную энергию.

Все виды энергии (потенциальная, кинетическая, тепловая, химическая, электрическая, магнитная) непосредственно служат источниками работы, производимой в природе и технике. Работа представляет собой превращение одного вида энергии в другой.

Энтропия может служить мерой обесценения энергии.

Можно считать ценностью энергии возможность ее превращения в полезную работу. Чем больше выделяется теплоты, то есть чем больше S, тем меньше полезная работа, то есть тем меньше ценность энергии.

Третье начало термодинамики(закон Нернста):

+при стремлении температуры к абсолютному нулю энтропия любой системы стремится к конечному пределу, не зависящему от давления, плотности или фазы. Т.е. ни в каком процессе, связанном с изменением энтропии, достижение абсолютного нуля невозможно, к нему можно лишь бесконечно приближаться.

Закон возрастания энтропии справедлив для изолированной системы. Согласно ему (второму закону термодинамики), упорядоченность изолированной системы должна убывать, при возрастании меры неупорядоченности – энтропия увеличивается.

2-ое начало термодинамики устанавливает направления протекания тепловых процессов в замкнутых системах.

Именно в изолированных системах все процессы приводят к превращению любых видов энергии в энергию теплового, хаотического движения молекул, которую очень сложно использовать для получения полезной работы, т.е. происходит обесценивание энергии, и хаос в системе возрастает.

Ход событий во Вселенной невозможно повернуть вспять, чтобы воспрепятствовать возрастанию энтропии. Из этого следует необратимость тепловой смерти Вселенной– эволюция к состоянию однородности и равновесия, т.е. хаосу, при котором температура во всех точках Вселенной будет одинакова.

В первой половине 20 в. был произведен анализ понятия «изолированная система». Действительно, изолированной является система, не обменивающаяся с окружающей средой веществом, энергией и информацией.

При внимательном рассмотрении выяснилось, что единственной изолированной системой, возможно, является Вселенная в целом.

Следовательно, чисто термодинамический подход не всегда справедлив, и в открытых системах возможны процессы усложнения структуры – самоорганизации.

Резкое увеличение рассеяния тепла в окружающее пространство – диссипация энергии. Природная система обычно диссипативна, т.к. энергия в ходе процессов необратимо теряется, превращается в тепло, работу, что связано с необратимостью процессов и, как следствие, с необратимостью времени.

При полном отсутствии диссипации организация спонтанно возникнуть не может.

Роль диссипации (роль Зла) – это роль фактора выедания лишнего и поэтому необходимого элемента развития мира. Диссипативные процессы, рассеяние – это макроскопическое проявление хаоса.

Деятельность человека (посадка, выращивание, переработка и приготовление пищевых продуктов) требует использование высококачественных ресурсов вещества и энергии, а в окружающую среду при этом выбрасываются тепло и отходы. Громадное количество тепловой энергии и отходов поступает в окружающую среду при эксплуатации богатых месторождений полезных ископаемых, промышленной их переработке или сжигания для отопления, при движении транспортных средств, строительстве и при производстве всего необходимого человеку.

Некоторые из подобных процессов способствуют созданию высокоорганизованных веществ, сложных органических молекул и развитию живых организмов, повышая этим степень порядка материи. Но одновременно эти же процессы сопровождаютсяувеличением энтропии окружающей среды.

Поэтому общее количество энтропии в виде низкокачественного тепла и неупорядоченного отходов вещества, которое образовалось при обеспечении жизнедеятельности какого-либо организма или при производстве всего необходимого, намного превышает масштабы создания при этом высокоорганизованного вещества и

Современное развитое промышленное общество способствует увеличению энтропии окружающей среды в очень больших масштабах (в большей степени, чем когда-либо в истории человечества).Это явление можно назвать энтропийным капканом.

И если все большее и большее количество людей возрастающими темпами будет продолжать использовать ресурсы и создавать отходы, рано или поздно способность окружающей среды рассеивать и разрушать выброшенные вещества и поглощать выпущенное тепло окажется превышена на всех уровнях - локальном и глобальном.По 2-му закону термодинамики избежать увеличения энтропии окружающей среды нельзя, но можно попытаться сократить или свести к минимуму то количество S, которое мы производим сами.