4.1.2. Первое начало термодинамики

Первое начало термодинамики является математическим выражением закона сохранения энергии в замкнутой (изолированной) системе в случае, когда в ней имеют место механические и тепловые процессы.

В XVIII в. появилась первая формулировка первого начала термодинамики: «Вечный двигатель первого рода невозможен». Другими словами, была доказана невозможность создания механического вечного двигателя (устройства, с помощью которого можно было бы производить механическую работу без внешнего воздействия на него).

Первое начало термодинамики записывают в виде

Q = U+A,

где Q - количество теплоты, полученное (или отданное) системой;

А - работа, совершенная системой над внешней средой;

U- изменение внутренней энергии системы.

Под внутренней энергией системы понимают полный запас кинетической и потенциальной энергии данной системы. Сюда входят энергия движения частиц и молекул, из которых состоят макрочастицы, энергия взаимодействия атомов в молекулах и отдельных составляющих атомов частиц.

Математическая формулировка первого начала термодинамики: количество теплоты Q, полученное системой, идет на изменение (приращение) ее внутренней энергии и на совершение работы против внешних сил.

4.1.3. Второе начало термодинамики

Несмотря на всю важность и общность первого начала термодинамики, оно оказалось недостаточным для полного описания термодинамических процессов и систем.

Недостатками первого начала являются:

1. Теплота (Q), входящая в уравнение, не выражена через параметры системы.

2. Не указывается направление процессов, происходящих в системе, и условия достижения равновесного состояния.

Эти недостатки легко просматриваются на простом примере падения тела в поле силы тяжести (рис. 9).

Стр. 50

Рис. 9. Схема падения тела

При падении тела из положения 1 в положение 2 наблюдается переход потенциальной энергии в кинетическую. При резкой остановке тела в положении 2 кинетическая энергия переходит в тепловую энергию хаотического движения частиц тела, опоры, воздуха и в виде тепла рассеивается в окружающем пространстве. Первому началу термодинамики не противоречил бы и обратный процесс: тело в положении 2 отбирает энергию из окружающей среды, охлаждая ее, и переходит, имея запас энергии, в положение 1.

Хорошо известно, что многие процессы, происходящие в реальном мире, необратимы. Направленность тех или иных процессов и является объектом описания второго начала термодинамики.

Второе начало термодинамики было впервые сформулировано Р. Кла-узиусом (1850) как обобщение фактов, наблюдаемых при изучении процессов теплопередачи: «Теплота не может сама собой переходить от холодного тела к нагретому».

В 1854 г. Р. Клаузиус вводит понятие энтропии (S) - некоторой функции состояния, изменение которой при температуре Т определяется для изолированной системы соотношением

Стр. 51

При обратимых процессах полное изменение энтропии системы равно нулю. Однако если процесс необратим, то изменение энтропии больше нуля, т. е. энтропия в изолированных системах при протекании необратимых процессов возрастает ( ).

Величина - количество теплоты, полученное или отданное системой вследствие необратимых процессов, протекающих внутри системы.

Отсюда если система изолирована и находится в равновесном состоянии, то , а следовательно, и Если же изолированная система находится в неравновесном состоянии, то Значит, для изолированных систем с помощью энтропии можно предсказать направление самопроизвольных процессов (они идут в сторону равновесного состояния).