Когда вы изучаете второй закон термодинамики, на уроке или лекции вам скажут что-то похожее на такую фразу: "невозможна самопроизвольная передача теплоты от холодного тела к теплому". В общем-то, нет тут ничего, что можно не понять. Всё это напрямую следует из логики жизни...Но стоит вам потом открыть для повторения учебник, то глаза на лоб полезут. Собственно, тут уместен демотиватор:
Формулировка закона записана таким образом, что разобраться со всеми этими тонкостями кажется невозможным. Что же, давайте вникнем, как простая фраза обрастает столькими сложными допущениями и уточнениями и для чего вообще нужно изучать этот закон.
Как вы наверное заметили, второй закон термодинамики всегда изучается вместе с первым. При этом первый закон описывает "соотношения" в системе, а второй - описывает направления процессов. Но зачем изучать направления процессов?
Про смысл второго закона и о направленности процессов
Вроде как это очевидные вещи и сложно себе представить, что холодная кружка будет передавать теплоту горячему чайнику. На практике этот закон напрямую связан с тепловыми двигателями и если разрисовать направления процесса в ДВС, то получится, что всегда второй закон будет выполняться. Благодаря пониманию направлений получилось нарисовать например цикл Карно:
Но обозначение процесса на уровне закона всё же требуется! Ведь с точки зрения закона сохранения энергии совершенно безразлично, "в какую сторону" будет протекать процесс.
Сформулированный закон позволит предсказать поведение теплового двигателя или другой системы. Необратимость процессов подчеркивается этим законом.
Фарш невозможно прокрутить назад
Для ученого это означает, что не имеет смысла работать над заведомо провальными гипотезами. Скажем, второй закон термодинамики напрочь уничтожает любые попытки сделать вечный двигатель, так как большинство известных моделей не учитывают наиболее вероятное состояние системы. Ну а для школьников и студентов - это лишняя головная боль и они не понимают, как применить такой закон и зачем изучать очевидное :) Но именно глубина закона определяет сложность формулировок в более серьезной литературе.
Второй закон - закон об основе мироздания
При этом отметим, что слишком однобоко рассматривать второе начало термодинамики только лишь как обозначение направления передачи тепловой энергии. Когда Карно рассуждал про второй закон он явно рассматривал его куда более глубоко. Ученые было взялись анализировать направленность процессов, а мысль пришла к тому, что стало неочевидным их реальное направление и не возможно было объяснить причину такой направленности.
Собственно получилось, что это один из главных законов мироздания и он не может быть простым. Лишь только значительное его упрощение позволяет писать про это в учебниках для 9 класса.
Если сформулировать закон "правильнее" то получится что-то такое:
Если в замкнутой системе происходит процесс, то энтропия этой системы не убывает. Или что система всегда происходит из менее вероятного состояния в более вероятное.
Тут добавилось волшебное слово "энтропия". В простонародье это мера хаоса системы.
Что такое энтропия и причем тут второй закон?
Энтропия - это то, насколько мы мало знаем о состоянии системы. Очень глубокое понятие, которое подчеркивает отсутствие глубокого понимания многих процессов. Скажем, очень образно...Мы можем предположить, что состояние газа зависит от двух параметров, которые нам известны. Но на деле мы видим, что в дело при некоторых условиях вмешивается ещё что-то и газ ведет себя не совсем объяснимо. Знаний не хватает. Невозможно внезапно получить больше информации о микросостояниях, чем у нас есть или было.
Мы не понимаем что вмешалось, так как знания наши о системе пока ограничены всего лишь двумя контролируемыми понятиями. Остается жонглировать известными параметрами и на их базе строить понимание всего процесса. И чем больше будет таких моментов, тем будет выше энтропия всей изучаемой системы. Энтропия есть свойство не самой системы, а нашего знания об этой системе. Физически никакой энтропии не существует. Это удобный способ описать процесс.
Ну а из второго закона следует, что если в системе происходит тепловой процесс, то энтропия гарантированно возрастёт. Это опять кажется бесполезным, но на уровне разработки нового двигателя знания крайне полезны? Почем?! Потому что чем больше будет тепловых процессов, тем выше будет энтропия каждый раз :)! Получается, что нужно уменьшать количество передач тепла для сокращения рассеивания энергий. В том числе и тех ,которые мы не способны описать на данный момент.
Очень хорошо этот момент расписывается тут. Почитайте про равновероятное состояние газа в примере про коробки. Лучше и не скажешь.
Но чтобы заложить какие-то основы логично свести все сложные формулировки и рассуждения ученых, которые, кстати говоря, приведены в википедии, к чему-то более понятному большинству изучающих или уменьшить степень энтропии закона :)...
Три главных следствия, которых достаточно для сдачи экзамена
Получится три главных постулата:
1. Передача теплоты от холодного тела к теплому невозможна
Это то самое обстоятельство, которое кажется очевидным, но таковым он остаётся только до начала анализа работы тепловой системы. Оно убережет от заведомом провальных гипотез. Все тепловые процессы в нашей вселенной идут в одну сторону и та же теплопроводность - передача тепла от более нагретых участков менее нагретым.
2. Никакой двигатель не может преобразовывать теплоту в работу со стопроцентной эффективностью
Тут речь про старый добрый КПД (коэффициент полезного действия), который тоже никогда не может быть равен единице, потому что невозможна термодинамическая система, которая будет полностью изолирована.
Напомню, что КПД - это то, насколько много полученной энергии получилось превратить в полезную работу. Например, кипятим мы в бочку воду. Превращаем эту воду в пар. Паром крутим турбину с генератором. Но костёр не только нагревает бочку и кипятит воду, он ещё нагревает корпус самой бочки, который охлаждается окружающим воздухом и греет всё вокруг. В итоге, если мы возьмем 10 кг дров, то в "реальную работу" пойдет только 6 кг дров. Остальное потратим на потери.
Всегда тепло будет рассеиваться на что-то, ну а для КПД=1, нужно, чтобы не существовало бы первого постулата и холодные участки могли нагревать ещё сильнее горячие.
3. В замкнутой системе энтропия не может убывать
Ну и вспомним про энтропию, которая является нашим уровнем незнания о значимых факторах, влияющих на работу системы. Значит их нельзя исключить и получить КПД=1, а при работе системы энтропия ещё будет и нарастать или, как минимум, сохраняться на постоянном уровне.
Что такое энтропия мы разбирались выше, а вот про замкнутую систему отметим - что это система, которая не может обменивать энергией со своим окружением.
Знаний этих основ достаточно для инженера, школьника или студента. Остальное - удел интересующихся вопросом или теоретической физики. Проще всего тут инженеру :) Ведь что для нас важно? Есть огонь, который нагревает паровой котел, это происходит в нужном нам направлении, установленным вторым законом. Исходя из второго же закона мы не сможем сделать из этого вечный двигатель, ну а приделать шатун к этой штуке и крутить коленвал вполне можно!
Полезная книга от меня по основам физики (механики)
------------
Обязательно оцените статью лайком, напишите комментарий и подпишитесь на проект! Это очень важно для развития канала.
-------------
Советую также прочитать на нашем канале:
-----