14. Второе начало термодинамики. Энтропия. Эффекты переноса.

Второе начало термодинамики может быть сформулировано несколькими способами. В наиболее очевидной формулировке второе начало гласит, что невозможен самопроизвольный переход тепла от тела, менее нагретого, к телу, более нагретому. Более строго, невозможны такие процессы, единственным конечным результатом которых был бы переход тепла от тела, менее нагретого, к телу, более нагретому.

Второе начало термодинамики может быть также сформулировано следующим образом: невозможны такие процессы, единственным конечным результатом которых явилось бы отнятие от некоторого тела определенного количества тепла и превращения этого тепла полностью в работу.

  Первое начало термодинамики, выражая закон сохранения энергии и превращения энергии, не позволяет установить направление протекания т/д процессов. Кроме того, можно представить множество процессов, не противоречащих I началу т/д, в которых энергия сохраняется, а в природе они не осуществляются. Возможные формулировки второго начало т/д:

1) закон возрастания энтропии замкнутой системы при необратимых процессах: любой необратимой процесс в замкнутой системе происходит так, что энтропия системы при этом возрастает   ΔS ≥ 0 (необратимый процесс)            2) ΔS ≥ 0 (S = 0 при обратимом и  ΔS ≥ 0 при необратимом процессе)

            В процессах, происходящих в замкнутой системе, энтропия не убывает.

2) Из формулы Больцмана S=, следовательно, возрастание энтропии означает переход системы из менее вероятного состояния в более вероятное.

3) По Кельвину: не возможен круговой процесс, единственным результатом которого является превращения теплоты, полученной от нагревателя в эквивалентную ей работу.

4) По Клаузиусу: не возможен круговой процесс, единственным результатом которого является передача теплоты от менее нагретого тела к более нагретому.

 

 

 

 

            Для описания т/д систем при 0 К используют теорему Нернста-Планка (третье начало т/д): энтропия всех тел в состоянии равновесия стремится к нулю по мере приближения температуры к 0 К

 

Из теоремы Нернста-Планка следует, что    C_p = C_v = 0 при 0 К

Энтропия S – это отношение полученной или отданной теплоты к температуре, при которой происходил этот процесс:

(16)

где S- приращение энтропии.

dQ- количество теплоты.

T-температура системы.

Энтропия является количественной мерой степени молекулярного беспорядка в системе.

Сообщение системе тепла приводит к усилению теплового движения молекул и следовательно к увеличению степени беспорядка в системе. Чем выше температура ( т.е. больше внутренняя энергия системы) , тем относительно меньшей сказывается доля беспорядка, обусловленного сообщением данного количества тепла dQ.

При температуре абсолютного нуля энтропия всякого вещества равна 0. (теорема Нериста) или третье начало термодинамики. Отсюда вытекает, что энтропия всякого тела стремится к нулю при стремлении к нулю температуры.

lim S=0

^T→0

Явлениями переноса называются необратимые процессы, в результате которых происходит пространственный перенос энергии, массы, количества движения.

К явлениям переноса относятся:

а) диффузия (перенос массы)

б) теплопроводность ( перенос энергии)

в) внутреннее трение (перенос количества движения)

а)Диффузия.

Явления проникновения молекул одного вещества в межмолекулярное пространство другого (перемешивание вещества) называется диффузией. Перенос массы, выравнивается концентрация молекул.

Описывается процесс диффузии уравнением Фика.

(17)

где ∆ M - переносимая масса;

градиент плотности;

∆S – площадь;

∆t- время;

Д- коэффициент диффузии, зависящий от рода вещества, температуры, давления.

Знак минус говорит о том, что масса переносится в сторону уменьшения убывания плотности.

Коэффициент диффузии численно равен массе вещества, переносимого в единицу времени через единицу площади перпендикулярно направлению распространения при градиенте плотности равном единице.

Коэффициент диффузии зависит от температуры и массы диффундирующих молекул.

Диффузия протекает не только в газообразных, но и в твердых и жидких телах.

б) Теплопроводность.

Теплопроводность - это процесс распространения теплоты от более нагретых частиц тела к менее нагретым, не сопровождается переносом массы вещества или излучением энергии в виде электромагнитных волн. Перенос теплоты, выравнивается температура.

Теплопроводность обусловлена тем , что частицы воздуха (молекулы, атомы, электроны) обладают большой кинетической энергией и передают её менее быстрым частицам.

Передача теплоты теплопроводностью может осуществляться между любыми телами либо через промежуточную среду. Через вакуум теплота не передается, так как там отсутствуют частицы вещества. Процесс теплопроводности описывается законом Фурье:

- градиент температур, показывает изменение температур на единицу длины . Знак минус говорит, о том что энергия переносится в сторону уменьшения температуры.

∆S- площадь поверхности. (1м² ) , ∆t-время (1с).

Пусть , ∆S=1м² , ∆t=1с.

(коэффициент теплопроводности)- численно равен количеству теплоты; переносимой через площадку 1м² перпендикулярный потоку за 1с при градиенте температуры равным –1, он зависит от свойств среды.

-зависит от природы вещества.

Интенсивностью теплового потока называется количество теплоты, переносимое в единицу времени через единицу площади поверхности:

В живых организмах ткани имеют различные теплопроводности и это различные весьма существенно для теплового режима организма.

Значительная теплопроводность мышечных тканей ,позволяет быстро переносить тепло от внутренних органов к наружным (кожа), предохраняя внутренние органы от перегрева.

При низких температурах внешней среды слой жировой ткани

препятствует быстрой утечке тепла.

в) Вязкость.

Между молекулами жидкости существуют силы взаимного притяжения, которые проявляются при движении одного слоя жидкости относительно другого в виде внутреннего трения или вязкости. Переносится импульс(p), выравнивается скорость движения слоев(v).

В F

А

Пусть дана неподвижная пластина А в жидкости, а другую пластину В- положить на поверхность жидкости. Будем перемещать её под действием силы F.

Скорость движения слоёв жидкости возрастает от пластины А к пластине В. Так как слои жидкости перемещаются друг относительно друга, каждый слой получает ускорение со стороны верхнего слоя и тормозится нижним.

Ньютон установил, что силы трения между слоями жидкости, движущимися с разными скоростями, зависят от площади соприкасающихся слоёв и быстроты, с которой меняется скорость при переходе от одного слоя к другому в направлении, перпендикулярно течению жидкости, эта величина называется градиентом скорости.

сила внутреннего трения:

,

где - площадь.

- коэффициент динамической вязкости жидкости.

, если то

Коэффициент динамической вязкости численно равен силе внутреннего трения, действующий на единицу площади трущихся слоёв, при градиенте скорости равном 1.

Коэффициент динамической вязкости зависит от рода жидкости и от её температуры. С повышением температурыуменьшается.

В системе СГС единицей измерения вязкости служит Пуаз (П).

1П=

Единица вязкости названа в честь знаменитого ученого Пуазейля