Краткая теория. Основу термодинамики составляют два начала

Основу термодинамики составляют два начала. Первое начало устанавливает количественные соотношения, имеющие место при превращениях энергии из одних видов в другие. Оно утверждает: количество теплоты [5], переданное системе, увеличивает ее внутреннюю энергию на и превращается в работу , совершаемую системой против внешних сил:

. (10.1)

Второе начало термодинамики определяет условия, при которых возможны превращения энергии, т.е. определяет возможные направления процессов, происходящих в системе.

Величины, характеризующие состояния системы, называются параметрами состояния. Состояние системы, при котором все параметры имеют значения, остающиеся неизменными сколь угодно долго, называется равновесным. Равновесный процесс может быть проведен в обратном направлении (обратный процесс) через те же промежуточные состояния, что и прямой.

Функция S, дифференциал которой

, (10.2)

называется энтропией системы. Здесь – количество полученного системой при обратном процессе тепла, Т – температура системы.

Если количество теплоты сообщается системе в ходе необратимого процесса, то энтропия возрастает как вследствие сообщения тепла, так и вследствие необратимости процесса. Поэтому

. (10.3)

Формулы (10.2) и (10.3) можно объединить

. (10.4)

Знак равенства относится к обратимым, знак неравенства – к необратимым процессам.

Состояние макроскопического тела или макросостояние может быть осуществлено различными способами, каждому из которых соответствует некоторое микросостояние тела. Число различных микросостояний, соответствующих данному макросостоянию, называется статистическим весом или термодинамической вероятностью макросостояния Ω. Энтропия системы пропорциональна Ω:

. (10.5)

Энтропия изолированной системы при протекании необратимого процесса возрастает, стремясь к максимуму. Действительно, изолированная система переходит из менее вероятных в более вероятные состояния, что сопровождается ростом Ω и S. Это максимальное значение достигается системой, когда она переходит в состояние термодинамического равновесия:

, (10.6)

. (10.7)

Энтропия изолированной системы не может убывать:

. (10.8)

Это утверждение одна из формулировок второго начала термодинамики.

Изменение энтропии в обратимом процессе равно

. (10.9)

По знаку можно судить о направлении протекания термодинамического процесса.