Второе начало термодинамики

Начала термодинамики

Статья является частью серии «Термодинамика».
Нулевое начало термодинамики
Первое начало термодинамики
Второе начало термодинамики
Третье начало термодинамики
Разделы термодинамики
Начала термодинамики
Уравнение состояния
Термодинамические величины
Термодинамические потенциалы
Термодинамические циклы
Фазовые переходы
править
См. также «Физический портал»

Второе начало термодинамики в физический принцип, накладывающий ограничение на направление процессов передачи тепла между телами.

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.

Содержание

1 Формулировки
2 Ограничения
3 Второе начало термодинамики и «тепловая смерть Вселенной»
4 Энтропия и критика эволюционизма
5 См. также
6 Примечания
7 Литература

[править] Формулировки

Существуют несколько эквивалентных формулировок второго начала термодинамики:

Постулат Клаузиуса: «Невозможен процесс, единственным результатом которого являлась бы передача тепла от более холодного тела к более горячему»^[1] (такой процесс называется процессом Клаузиуса).

Постулат Томсона (Кельвина): «Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара» (такой процесс называется процессом Томсона).

Эквивалентность этих формулировок легко показать. В самом деле, допустим, что постулат Клаузиуса неверен, то есть существует процесс, единственным результатом которого была бы передача тепла от более холодного тела к более горячему. Тогда возьмем два тела с различной температурой (нагреватель и холодильник) и проведем несколько циклов тепловой машины, забрав тепло $Q_1$ у нагревателя, отдав $Q_2$ холодильнику и совершив при этом работу $A=Q_1-Q_2$ . После этого воспользуемся процессом Клаузиуса и вернем тепло $Q_2$ от холодильника нагревателю. В результате получается, что мы совершили работу только за счет отъёма теплоты от нагревателя, то есть постулат Томсона тоже неверен.

С другой стороны, предположим, что неверен постулат Томсона. Тогда можно отнять часть тепла у более холодного тела и превратить в механическую работу. Эту работу можно превратить в тепло, например, с помощью трения, нагрев более горячее тело. Значит, из неверности постулата Томсона следует неверность постулата Клаузиуса.

Таким образом, постулаты Клаузиуса и Томсона эквивалентны.

Другая формулировка второго начала термодинамики основывается на понятии энтропии:

«Энтропия изолированной системы не может уменьшаться» (закон неубывания энтропии).

Такая формулировка основывается на представлении об энтропии как о функции состояния системы, что также должно быть постулировано.

Второе начало термодинамики в аксиоматической формулировке Рудольфа Юлиуса Клаузиуса (R. J. Clausius, 1865) имеет следующий вид^[2]:

Для любой квазиравновесной термодинамической системы существует однозначная функция термодинамического состояния $S=S(T,x,N)$ , называемая энтропией, такая, что ее полный дифференциал $dS=\delta Q /T$ .

В состоянии с максимальной энтропией макроскопические необратимые процессы (а процесс передачи тепла всегда является необратимым из-за постулата Клаузиуса) невозможны.

[править] Ограничения

С точки зрения статистической физики второе начало термодинамики имеет статистический характер: оно справедливо для наиболее вероятного поведения системы. Существование флуктуаций препятствует точному его выполнению, однако вероятность сколь-нибудь значительного нарушения крайне мала. Смотри также Демон Максвелла.

[править] Второе начало термодинамики и «тепловая смерть Вселенной»

Клаузиус, рассматривая второе начало термодинамики, пришёл к выводу, что энтропия Вселенной как замкнутой системы стремится к максимуму, и в конце концов во Вселенной закончатся все макроскопические процессы. Это состояние Вселенной получило название «тепловой смерти». С другой стороны, Больцман высказал мнение, что нынешнее состояние Вселенной в это гигантская флуктуация, из чего следует, что большую часть времени Вселенная все равно пребывает в состоянии термодинамического равновесия («тепловой смерти»)^[3].

По мнению Ландау, ключ к разрешению этого противоречия лежит в области общей теории относительности: поскольку Вселенная является системой, находящейся в переменном гравитационном поле, закон возрастания энтропии к ней неприменим^[4].

Поскольку второе начало термодинамики (в формулировке Клаузиуса) основано на предположении о том, что вселенная является замкнутой системой, возможны и другие виды критики этого закона. В соответствии с современными физическими представлениями мы можем говорить лишь о наблюдаемой части вселенной. На данном этапе человечество не имеет возможности доказать ни то, что вселенная есть замкнутая система, ни обратное.

[править] Энтропия и критика эволюционизма

Второе начало термодинамики (в формулировке неубывания энтропии) иногда используется критиками эволюционной теории с целью показать, что развитие природы в сторону усложнения невозможно^[5]^[6]. Однако подобное применение физического закона является некорректным, так как энтропия не убывает только в замкнутых системах (сравн. с диссипативной системой), в то время как живые организмы и планета Земля в целом являются открытыми системами.

[править] См. также

[править] Примечания

в‘ Второе начало термодинамики в статья из Большой советской энциклопедии
в‘ Квасников И. А., Термодинамика и статистическая физика. Том 1: Теория равновесных систем: Термодинамика: Учебное пособие. 2-е, изд. в М.: Едиториал УРСС, 2002. в 240 с. В 3-х т. стр. 43.
в‘ Сивухин Д. В. Общий курс физики. в М.: Наука, 1975. в Т. II. Термодинамика и молекулярная физика. в § 80.
в‘ Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Статистическая физика. Часть 1. в Издание 3-е, дополненное. в М.: Наука, 1976. в 584 с. в («Теоретическая физика», том V), § 8.
в‘ John Rennie «15 Answers to Creationist Nonsense», Scientific American 287 (1): 78-85, 2002.
в‘ Марков А. Рождение сложности. Эволюционная биология сегодня: неожиданные открытия и новые вопросы. в М.: «Издательство Астрель», 2010. в С. 199. в 527 с. в 3000 экз. в ISBN 978-5-271-24663-0

[править] Литература

Базаров И. П. Термодинамика. М.: Высшая школа, 1991, 376 с.
Базаров И. П. Заблуждения и ошибки в термодинамике. Изд. 2-е испр. М.: Едиториал УРСС, 2003. 120 с.
Квасников И. А. Термодинамика и статистическая физика. Т.1: Теория равновесных систем: Термодинамика. Том.1. Изд. 2, испр. и доп. М.: УРСС, 2002. 240 с.
Сивухин Д. В. Общий курс физики. в М.: Наука, 1975. в Т. II. Термодинамика и молекулярная физика. в 519 с.
Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Статистическая физика. Часть 1. в Издание 3-е, дополненное. в М.: Наука, 1976. в 584 с. в («Теоретическая физика», том V).
Болгарский А. В., Мухачёв Г. А., Щукин В. К.: Термодинамика и теплопередача, Изд. 2-е, перераб. и доп. М., «Высш. школа», 1975. 495 c.

[bse2n-0] в‘ Второе начало термодинамики в статья из Большой советской энциклопедии

[1] в‘ Квасников И. А., Термодинамика и статистическая физика. Том 1: Теория равновесных систем: Термодинамика: Учебное пособие. 2-е, изд. в М.: Едиториал УРСС, 2002. в 240 с. В 3-х т. стр. 43.

[2] в‘ Сивухин Д. В. Общий курс физики. в М.: Наука, 1975. в Т. II. Термодинамика и молекулярная физика. в § 80.

[3] в‘ Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Статистическая физика. Часть 1. в Издание 3-е, дополненное. в М.: Наука, 1976. в 584 с. в («Теоретическая физика», том V), § 8.

[4] в‘ John Rennie «15 Answers to Creationist Nonsense», Scientific American 287 (1): 78-85, 2002.

[5] в‘ Марков А. Рождение сложности. Эволюционная биология сегодня: неожиданные открытия и новые вопросы. в М.: «Издательство Астрель», 2010. в С. 199. в 527 с. в 3000 экз. в ISBN 978-5-271-24663-0

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

Второе начало термодинамики

Содержание

[править] Формулировки

[править] Ограничения

[править] Второе начало термодинамики и «тепловая смерть Вселенной»

[править] Энтропия и критика эволюционизма

[править] См. также

[править] Примечания

[править] Литература

Личные инструменты

Пространства имён

Варианты

Просмотры

Действия

Поиск

Навигация

Участие

Печать/экспорт

Инструменты

На других языках