Друге начало термодинаміки

Друге начало термодинаміки  та теплова смерть Всесвіту

Відомий англійський письменник Чарльз Сноу вважав, що критерієм інтелігентності сучасної людини з гуманітарною освітою служить ступінь обізнаності з другим законом термодинаміки.

Другий закон термодинаміки, як і перший, є узагальненням  багатовікового досвіду людей. Існує близько тринадцяти (!!!) рівноцінних формулювань даного закону.

1. Неможливим є коловий процес, єдиним наслідком якого було б перетворення кількості теплоти, одержаної від нагрівника, в еквівалентну їй  роботу (Томсон-Кельвін).

2. Неможливим є коловий процес, єдиним результатом якого було б передавання енергії у формі теплоти від холодного тіла до гарячого (Клаузіус).

3. Вічний двигун другого роду неможливий (Освальд).

4. Теорема Карно:

Термічний ККД оборотнього циклу Карно не залежить від властивостей робочого тіла і виражається формулою

η_к = (T_н – Т_х)/Т_н

Термічний ККД необоротного циклу Карно завжди менший термічного ККД оборотнього циклу Карно, який здійснюється між тими ж температурами T_н  та Т_х:

η_{к необор} < η_{к  обор} 

Термічний ККД довільного оборотнього циклу не перевищує термічного ККД оборотнього циклу Карно: 

 η_обор ≤ η_{к  обор} = (T_н – Т_х)/Т_н

5. У замкненій (ізольованій) системі ентропія зростає або є сталою: 

ΔS ≥ 0, 
TdS ≥ dU + pdV

Теплова смерть Всесвіту як наслідок другого начала термодинаміки

Відомо з означення ентропії, що при зміні стану ізольованої  системи зміна її  ентропії дорівнює нулеві, якщо всі процеси оборотні, або більша від нуля, якщо в системі мають місце необоротні процеси. Оскільки всі реальні процеси необоротні, то на практиці  ентропія ізольованої системи завжди зростає. 

Якщо необоротні процеси в ізольованій системі відбуваються постійно, то ентропія даної системи весь час зростає, і її енергія безперервно знецінюється (деградує). За деякий час наступає момент, коли ентропія стає максимальною, тоді вся внутрішня енергія  стає повністю знеціненою і ні в якій мірі не зможе перейти в інші види енергії.  Настає "теплова смерть" ізольованої системи.

В.Томсон та Р.Клаузіус застосовуючи дані міркування до Всесвіту прийшли до висновку, що розглядуваний Всесвіт з часом прийде до рівноважного стану, який вони назвали "станом теплової смерті Всесвіту".

 Третє начало термодинаміки

Теорема Нернста:  ентропія будь-якого тіла прямує до нуля, коли його абсолютна температура прямує до абсолютного нуля температур

lim S = 0  при Т → 0

Теорему Нернста називають третім началом термодинаміки.

З теореми Нернста випливає наступне, якщо  Т → 0, то теплоємність тіл прямує до нуля, а це означає, що досягнення температури абсолютного нуля неможливе.

Останнє міркування називають також третім началом термодинаміки.

Доцільно прочитати:

• 1. Адіабатичний процес
• 2. Перше начало термодинаміки.
• 3. Швидкість звукової хвилі.
• 4. Модель ідеального газу.
• 5. Цикл Карно.
• 6. Ізопроцеси.