Головна » Наука та освіта » Другий закон термодинаміки

Другий закон термодинаміки



Ще в давні часи була помічена закономірність розподілу тепла: теплота може мимоволі переходити від нагрітого тіла з вищою температурою до менш нагрітого. Другий закон термодинаміки, що пояснює цей процес, був відкритий експериментальним шляхом. Вперше його суть виклав в 1824 році С. Карно, французький інженер, який визначив, яким чином і за яких умов вогонь переходив у корисну роботу в машинах того часу. У середині XIX століття на основі цього німецький учений Рудольф Клаузіус сформулював правило, яке зараз відоме як другий закон термодинаміки. Суть його в тому, що теплота ніколи не переходить до більш нагрітого тіла від менш нагрітого мимовільно, тобто перехід тепла до тіла з більшою температурою повинен компенсуватися зовнішнім підведенням енергії. Як приклад можна привести холодильні установки. Пізніше У. Томсон і деякі інші вчені уточнили формулювання цього закону.

Цей принцип варто розуміти навіть більш широко, ніж у трактуванні Рудольфа Клаузіуса. Візьмемо, наприклад, перетворення роботи в теплоту. Воно може бути вироблено силою тертя. При цьому робота переводиться в теплоту повністю, без усіляких додаткових зусиль і компенсацій. Зворотне перетворення саме по собі неможливо. Переведення отриманого тепла в роботу - це вже штучний процес, тобто вимагає спеціальних, штучно організованих умов.

В цілому, другий закон термодинаміки формулює принципи протікання і спрямованості природних процесів. Виходячи з нього, можна пояснити функціонування ряду приладів. Так, теплові двигуни працюють за рахунок різниці температур, завдяки яким тепло переходить від нагрітої деталі до холодної - від теплоотдатчика до теплоприймачу. І в цьому випадку ККД пристрою не може бути стовідсотковим. Тобто не вся теплота перетворюється в роботу, а лише її частину. Цим можна частково пояснити те, що створити вічний двигун (Другого роду) в принципі неможливо. Іншими словами, ніколи не винайдуть пристрій, який би повністю і без будь-якої компенсації перетворювало теплоту в роботу. Виходячи з усього сказаного вище, вчені Р. Клаузіус і У. Томпсон визначили формулювання другого закону термодинаміки. По-перше, мимовільно теплота не може переходити від менш теплих до більш теплим тілам, по-друге, не вся теплота, спрямована від теплоотдатчика до теплоприймачу, переходить в корисну роботу, а лише тільки її частину. Є також кілька подібних формулювань, які в цілому є відображенням вищенаведених. Переходячи від теплопередатчик до теплоприймачу, енергія нікуди не зникає, тому законом про збереження загальної кількості енергії не суперечить другий закон термодинаміки. Визначення його розроблялося декількома вченими і складається з декількох основних тез, які і розглядаються в даній статті.

Процеси, які пов'язані з перетворенням енергії, мимовільно можуть протікати лише в тому випадку, якщо енергія з концентрованої форми перейшла в розсіяну. Одна з найголовніших здібностей, властива як людям, так і біосфері, екосистемам - це здатність до низької ентропії. Останній термін означає відношення кількості тепла до величини температури, є свого роду запобіжним хаосу і пов'язаний з втратою здатності якої системи виконувати певну роботу; при зміні обсягу системи або її енергії ентропія зменшується.

У 1865 році Р. Клаузіус остаточно сформулював другий закон термодинаміки. Ентропія, за його визначенням, зростає, коли в якій-небудь замкнутої нерівноважної системі відбуваються мимовільні процеси.

Другий закон термодинаміки підпорядковує собі так званий принцип екологічних пірамід; крім того, він - джерело Закону Ліндемана, який пояснює принципи циркуляції енергії в екосистемі. Він вказує на односпрямованість (невороття) відбуваються в природі мимовільних процесів. Відповідно до нього, енергія перетворюється на теплоту, а теплота передається більш холодного тіла від нагрітого, що призводить до вирівнювання температур на низькому рівні, наслідком якого є припинення усіляких форм руху матерії, або т. н. «Теплова смерть». Якщо говорити зрозумілою і простою мовою, то суть другого закону термодинаміки така: все мимовільні, природні процеси закінчуються хаосом, деградацією. Це можна пояснити на такому прикладі: якщо будинок на довгі роки залишити без господаря, він почне поступово занепадати, руйнуватися.