Поняття ентропії
У 1865 році Клаузіус ввів нове поняття "ентропія" (entropia - від грец. "поворот", "перетворення"). Клаузісом порахував, що існує деяка величина S, яка, подібно енергії, тиску, температурі, характеризує стан газу. Коли до газу підводиться деяку кількість теплоти , то ентропія S зростає на величину, рівну
Протягом тривалого часу вчені не робили відмінностей між такими поняттями, як температура і теплота. Однак ряд явищ вказував на те, що ці поняття слід розрізняти. Так, при таненні льоду теплота витрачається, а температура льоду не змінюється в процесі плавлення. Після введення Клаузіусом поняття ентропії стало зрозуміло, де пролягає межа чіткого розрізнення таких понять, як теплота і температура. Справа в тому, що не можна говорити про якусь кількість теплоти, укладеному в тілі. Це поняття не має сенсу. Теплота може передаватися від тіла до тіла, переходити в роботу, виникати при терті, але при цьому вона не є зберігається величиною. Тому теплота визначається у фізиці не як вид енергії, а як міра зміни енергії. У той же час введена Клаузіусом ентропія виявилася величиною, що зберігається в оборотних процесах. Це означає, що ентропія системи може розглядатися як функція стану системи, бо зміна її не залежить від виду процесу, а визначається тільки початковим і кінцевим станами системи. p align="justify"> Покажемо, що в ідеальному циклі Карно ентропія зберігається.
Розглянемо
В
З цього співвідношення слід, що ентропія робочого тіла на 1-й стадії зростає рівно настільки, наскільки вона зменшується на 3-й стадії. На 2-й і на 4-й стадіях ентропія робочого тіла не змінюється, тому що процеси тут протікають адіабатично, без теплообміну. ​​p align="justify"> Іншими словами, у разі оборотних процесів, тобто , S = const - ентропія ізольованої системи у випадку оборотних процесів постійна.
При необоротних процесах отримуємо закон зростання ентропії:
Для того щоб здійснити оборотний процес, необхідно, як це вже згадувалося, домогтися дуже повільного розширення або стиснення робочого тіла, щоб зміни системи представляли собою послідовність рівноважних станів. У такому циклі вчинення будь-якої корисної роботи зажадає нескінченно великого часу. Щоб отримати роботу в короткі проміжки часу, тобто хорошу потужність, доводиться порушувати умови ідеального циклу. А це відразу призведе до неоднаковості температури на різних ділянках системи, до потоків тепла від більш гарячих ділянок до менш гарячим, тобто до зростання ентропії системи. p align="justify"> Для опису термодинамічних процесів I початку термодинаміки виявляється недостатньо, бо I началотермодінамікі не дозволяє визначити напрямок протікання процесів у природі. Той факт, що ентропія з лированной системи не може спадати, а тільки зростає і досягає максимального значення в рівноважному стані, є відображенням того, що в природі можливі процеси, що протікають тільки в одному напрямку - у напрямку передачі тепла тільки від більш гарячих тіл менш гарячим .
Існують різні формулювання II початку термодинаміки. Всі вони є еквівалентними. Наведемо деякі з них:
. Неможливі такі процеси, єдиним кінцевим результатом яких був би перехід тепла від тіла, менш нагрітого, до тіла, більш нагрітого.
У природі можливі процеси, що протікають тільки в одному напрямку - у напрямку передачі тепла тільки від більш гарячих тіл менш гарячим.
. ККД будь-якої теплової машини завжди менше 100%, тобто неможливий вічний двигун (перпетуум-мо біле) II роду (так як неможливо побудувати теплову машину, що працює не за рахунок перепаду теплоти, а за рахунок теплоти одного нагрівача).
ККД будь-якої реальної теплової машини завжди менше ККД ідеальної теплової машини.
. Ентропія ізольованої системи при протіканні необоротних процесів зростає, бо система, надана самій собі, переходить з менш ймовірного зі стояння в більш ймовірне. Ентропія системи, що перебуває в рівноважному стані, максимальна і постійна
Ентропія та ймовірність
В основі термодинаміки лежить відмінність між двома типами процесів - оборотними і необоротними.
Поняття ентропії дозволяє відрізняти у разі ізольованих систем оборотні процеси (ентропія максимальна і постійна) від незворотних процесів (ентропія зростає).
Завдяки роботам великого австрійського фізика Людвіга Больцмана, це відміну було зведено з макроскопічного рівня на мікроскопічний. Стан макроскопічного тіла (системи), заданий за допомогою макропараметрів (параметрів, які можуть бути виміряні макропрібора - тиском, температурою, об'ємом та іншими макроско...
