Второй закон термодинамики

Определение

Второй закон термодинамики утверждает, что в изолированной системе энтропия (мера беспорядка) не убывает, а лишь возрастает или остаётся постоянной в равновесных процессах. Это означает, что все самопроизвольные процессы в природе идут в направлении увеличения беспорядка.

Что такое энтропия и почему она растет

Энтропия — это мера беспорядка, хаотичности или неупорядоченности системы. Чем выше энтропия, тем больше разных состояний может принять система. Второй закон термодинамики говорит, что в природе системы стремятся к состоянию с максимальной энтропией. Например, если вы выпустите газ из баллона, он сам по себе не вернётся обратно в баллон, потому что это приведёт к уменьшению беспорядка. Газ, расширяясь, занимает больший объём, увеличивая свою энтропию и достигая более стабильного, хаотичного состояния.

Необратимость природных процессов

Второй закон термодинамики объясняет необратимость многих процессов в окружающем нас мире. Например, стакан, упавший со стола и разбившийся, не может сам по себе собраться обратно. Кубик льда в тёплой комнате растает, но вода сама не превратится обратно в лёд без внешнего воздействия (охлаждения). Эти процессы происходят в одном направлении, потому что так увеличивается общая энтропия системы (стакан + пол; лёд + воздух), а обратные процессы привели бы к её уменьшению, что противоречит второму закону.

Вечный двигатель второго рода невозможен

Этот закон напрямую запрещает создание вечного двигателя второго рода — гипотетической машины, которая могла бы полностью превращать теплоту в механическую работу, не охлаждая при этом более холодное тело и не выделяя часть энергии в виде тепла. Любой тепловой двигатель должен отводить часть тепла в холодильник (более холодное тело), чтобы работать. Это означает, что часть энергии всегда будет теряться и не может быть использована для совершения работы, что подтверждает второй закон термодинамики.

Тепловой поток и разность температур

Второй закон также объясняет, почему тепло всегда самопроизвольно передаётся от более нагретого тела к менее нагретому. Никогда не наблюдается обратный процесс, когда тепло само по себе переходит от холодного тела к горячему. Это связано с тем, что такой процесс приводил бы к уменьшению энтропии, поскольку более горячее тело стало бы ещё горячее, а холодное — ещё холоднее, что делает систему более упорядоченной. Для перекачивания тепла от холодного к горячему (как в холодильнике) необходима дополнительная энергия извне.

Разбор задач

Задача 1

Почему холодильник, включённый в розетку, охлаждает продукты внутри, но при этом нагревает воздух в комнате?

Холодильник — это пример устройства, которое «перекачивает» тепло от холодного места (внутри камеры) к более тёплому (воздуху в комнате). Для этого ему нужна энергия, которую он потребляет из электрической сети. Эта энергия не только позволяет холодильнику совершать работу по переносу тепла, но и сама выделяется в виде тепла, ещё сильнее нагревая комнату. Таким образом, холодильник не нарушает второй закон термодинамики, так как он не создаёт "холод" из ничего и не переносит тепло без затрат энергии и увеличения общей энтропии системы.

Ответ: Холодильник потребляет электроэнергию, которая преобразуется в тепло и увеличивает энтропию комнаты, нагревая её. Он не является вечным двигателем и требует внешнего источника энергии для своей работы.

Где это встречается

• Работа тепловых двигателей — Принцип работы всех тепловых машин (автомобильные двигатели, паровые турбины) ограничен вторым законом. Он определяет максимально возможный КПД двигателя, показывая, что часть теплоты всегда должна быть отдана в холодильник и не может быть преобразована в работу.
• Холодильники и кондиционеры — Эти устройства используют внешний источник энергии, чтобы переносить тепло от холодного тела к горячему, не нарушая второй закон термодинамики. Для этого требуется совершение работы, которая приводит к общему увеличению энтропии.
• Распространение запахов — Когда вы открываете флакон с духами, запах быстро распространяется по комнате. Это происходит потому, что молекулы двигаются от области высокой концентрации к области низкой, увеличивая энтропию системы (воздуха в комнате).
• Энергетические кризисы — Второй закон объясняет, почему энергия в конечном итоге рассеивается и становится менее доступной для использования. Это лежит в основе концепции энтропийной смерти Вселенной и необходимости постоянного поиска новых источников энергии.

Типичные ошибки

Не путать

• Первый закон термодинамики — Первый закон говорит о сохранении энергии (энергия не исчезает и не появляется из ниоткуда), а второй закон указывает на направление процессов и невозможность полного превращения теплоты в работу. Первый закон о количестве, второй — о качестве и направлении.
• Закон сохранения энергии — Закон сохранения энергии (первый закон термодинамики) утверждает, что суммарное количество энергии в изолированной системе постоянно. Второй закон термодинамики дополняет его, говоря о том, что хотя энергия сохраняется, её 'качество' или 'полезность' для совершения работы со временем уменьшается из-за роста энтропии.

Откуда взялось понятие

Основные формулировки второго закона термодинамики были сделаны Рудольфом Клаузиусом и Уильямом Томсоном (лордом Кельвином) в середине XIX века на основе работ Сади Карно.

Как запомнить

Природа всегда стремится к беспорядку, а тепло само по себе течёт только 'с горки' — от горячего к холодному.