о тілу В»(Q). Величину U можна збільшити двома еквівалентними способами - зробивши над тілом механічну роботу (А) або повідомляючи йому кількість теплоти (Q).
Загальновизнаним є той факт, що поширення тепла являє собою необоротний процес і тепло передається від гарячого тіла до холодного, а не навпаки. Важливою концепцією термодинаміки є те, що Клаузиус визначив, що при роботі теплової машини не всі кількість теплоти, взяте у нагрівача, передається холодильника. Частина цієї теплоти перетворюється на роботу, що здійснюються машиною. Клаузіус показав, що пояснення перетворення теплоти в роботу грунтується ще на одному принципі, сформульованому С. Карно, що стверджують, що в будь-якому безперервному процесі перетворення теплоти від гарячого нагрівача в роботу неодмінно повинна відбуватися віддача теплоти холодильника. Чинена при цьому теплова робота (А) оцінюється коефіцієнтом корисної дії (О·) наступним чином: О· = A/Q1, де Q - кількість теплоти, передане нагріванням. Максимальний коефіцієнт корисної дії має ідеальна теплова машина, що працює за циклом Карно, коефіцієнт корисної дії якої визначається як
О· = (Т1 - Т2)/Т1,
де Т1 - абсолютна температура нагрівача; Т2 - абсолютна температура холодильника.
Таким чином, має місце загальна властивість теплоти, що полягає в тому, що теплота В«завжди виявляє тенденцію до зрівнювання температурної різниці шляхом переходу від теплих тіл до холодних В». Це положення Клаузиус запропонував назвати В«другим основним положенням механічної теорії теплотиВ», і в сучасну науку воно увійшло як другий початок термодинаміки.
Всі ці численні факти й знайшли своє узагальнення і теоретичне пояснення в законах класичної термодинаміки:
1. Якщо до системи підводити тепло Q і над нею виробляти роботу А, то енергія системи зростає до величини U: U = Q + А. Цю енергію U називають внутрішньою енергією системи.
2. Неможливо здійснити процес, єдиним результатом якого було б перетворення тепла в роботу при постійній температурі, тобто тепло не може перетекти мимовільно від холодного тіла до гарячого.
У першому законі мова йде про збереження енергії, по-другому-про неможливість виробництва роботи винятково за рахунок вилучення тепла з одного резервуара при постійній температурі, тобто про направлення теплових процесів у природі.
У 1865 р. німецький фізик Рудольф Клаузіус для формулювання другого закону термодинаміки ввів нове поняття - В«ентропіяВ» (від грец. entropia - поворот, перетворення). Клаузіус розрахував, що існує деяка величина S, яка подібно енергії, тиску, температурі характеризує стан газу. Коли до газу підводиться деяку кількість теплоти, AQ, то ентропія S зростає на величину, рівну AS = AQ/T.
Протягом тривалого часу вчені не робили відмінностей між теплотою і температурою. Однак ряд явищ вказував на те, що ці поняття слід розрізняти. Наприклад, при плавленні кристалічного тіла теплота витрачається, а температура тіла не змінюється в процесі плавлення. Після введення Клаузіусом поняття ентропії стало зрозуміло, де пролягає межа чіткої відмінності 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, як і температура, 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 станом системи.
Було також показано, що зміна ентропії в разі оборотних процесів не відбувається, тобто AS = 0. Значить, ентропія ізольованої системи у випадку оборотних процесів постійна. При необоротних процесах отримуємо закон зростання ентропії: О”S> 0.
3 Проблема В«теплової смерті ВсесвітуВ»
Класична термодинаміка виявилася не здатною вирішити космологічні проблеми характеру протікання процесів, що відбуваються у Всесвіті. Вільям Томпсон екстраполював принцип зростання ентропії на великомасштабні процеси, що протікають в природі. На основі цього Р.Клаузиус розповсюдив цей принцип на Всесвіт у цілому, що привело його до гіпотези про В«теплової смерті Всесвіту В». Всі фізичні процеси, відповідно до другого початку термодинаміки, протікають у напрямку передачі тепла від більш гарячих тіл до менш гарячим. Це означає, що повільно, але вірно йде процес вирівнювання температури під Всесвіту. Отже, майбутнє вимальовується перед нами в досить трагічних тонах, очікується зникнення температурних відмінностей в природі і перетворення всієї світової енергії в теплоту, рівномірно розподілену під Всесвіту. Звідси Клаузиус висунув два постулати:
...
