§ 10.2. Термодинамикийн хоёр дахь хууль. Энтропи

Үндсэндээ энерги хадгалагдах хуулийн илэрхийлэл болох термодинамикийн 1-р хууль нь үйл явц үүсч болзошгүй чиглэлийг заадаггүй. Жишээлбэл, термодинамикийн нэгдүгээр хуулийн дагуу дулаан солилцооны үед дулааныг илүү халсан биеэс бага халсан бие рүү аяндаа шилжүүлэх, харин эсрэгээр бага халсан биеэс илүү халсан бие рүү аяндаа шилжих боломжтой байх болно. бие. Гэсэн хэдий ч өдөр тутмын туршлагаас харахад хоёр дахь үйл явц нь бодит бус шинж чанартай гэдгийг сайн мэддэг; жишээлбэл, данхны ус нь өрөөний агаар хөргөсний улмаас аяндаа халж чадахгүй. Өөр нэг жишээ: чулуу газар унах үед энэ нь халааж, боломжит энергийн өөрчлөлттэй тэнцэх урвуу үйл явц - зөвхөн хөргөлтийн улмаас чулууг аяндаа өргөх боломжгүй юм.

Термодинамикийн хоёр дахь хууль нь эхнийхтэй адил туршилтын өгөгдлийн ерөнхий ойлголт юм.

Термодинамикийн хоёр дахь хуулийн хэд хэдэн томъёолол байдаг: дулаан нь бага температуртай биеэс өндөр температуртай бие рүү аяндаа шилжиж чадахгүй (Клаузиусын томъёолол), эсвэл хоёр дахь төрлийн байнгын хөдөлгөөнт машин боломжгүй (Томсоны томъёо), өөрөөр хэлбэл ийм үечилсэн үйл явц боломжгүй бөгөөд үүний цорын ганц үр дүн нь биеийг хөргөсний улмаас дулааныг ажил болгон хувиргах явдал юм.

Дулааны машинд шилжүүлсэн дулааны улмаас ажил хийгддэг боловч зарим дулааныг хөргөгчинд шилжүүлэх шаардлагатай байдаг. Зураг дээр. 10.4. Хоёрдахь хуулийн дагуу боломжгүй (а) ба боломжтой (б) үечилсэн үйл явцыг схемээр харуулав.

Термодинамикийн хоёр дахь хуулийг тоон хэлбэрээр илэрхийлэх боломжийг олгодог термодинамикийн зарим ойлголтыг авч үзье.

Бүх завсрын төлөвөөр дамжуулан 2-1 урвуу процессыг гүйцэтгэх боломжтой бол 1-2 процессыг буцаах боломжтой гэж нэрлэдэг бөгөөд ингэснээр систем анхны төлөвтөө буцаж ирсний дараа эргэн тойрон дахь биед ямар ч өөрчлөлт гарахгүй.

Урвуу үйл явц нь физик хийсвэрлэл юм. Бүх бодит үйл явц нь эргэн тойрон дахь биеийг халаахад хүргэдэг үрэлтийн хүч байгаа бол эргэлт буцалтгүй байдаг. Эргэшгүй үйл явцын зарим ердийн жишээнүүд: орон зайд хийн тэлэлт, тархалт, дулааны солилцоо гэх мэт Системийг анхны төлөвт нь буцаахын тулд эдгээр бүх тохиолдолд гадны биетүүдийн ажлыг гүйцэтгэх шаардлагатай.

Цикл буюу дугуй процесс нь систем анхны төлөв рүүгээ буцах үйл явц юм.

Г Циклийн график нь хаалттай шугам юм. Зурагт үзүүлсэн мөчлөг. 10.5, - шууд, энэ нь дулааны хөдөлгүүртэй тохирч байна, өөрөөр хэлбэл тодорхой биеэс тодорхой хэмжээний дулааныг хүлээн авдаг төхөөрөмж - дулаан дамжуулагч (халаагч), ажилладаг ба

энэ дулааны нэг хэсгийг өөр биед шилжүүлдэг - дулаан хүлээн авагч (хөргөгч) (Зураг 10.4, б).

Энэ мөчлөгт ажлын бодис (хий) ерөнхийдөө эерэг ажил хийдэг (Зураг 10.5): 1-a-2 процесст хий өргөжиж, ажил эерэг бөгөөд 1-a- муруйн доорх талбайтай тоогоор тэнцүү байна. 2; 2-b-1 процесст ажил нь сөрөг (хийн шахалт) бөгөөд тоон хувьд харгалзах муруйн доорх талбайтай тэнцүү байна. Алгебрийн нийлбэр нь нэг мөчлөгт хийн гүйцэтгэсэн нийт эерэг ажлыг өгдөг. Энэ нь 1-a-2-b-1 битүү муруйгаар хязгаарлагдсан талбайтай тоогоор тэнцүү байна.

Дулааны хөдөлгүүр буюу шууд мөчлөгийн үр ашиг нь гүйцэтгэсэн ажлын харьцааг ажлын бодисын хүлээн авсан дулааны хэмжээ юм

халаагуураас:

Дулааны машины ажил нь дулааны хэмжээнээс шалтгаалж, ажлын бодисын дотоод энерги нь мөчлөгийн явцад өөрчлөгддөггүй (AU = 0) тул термодинамикийн нэгдүгээр хуулиас харахад дугуй процесст ажилладаг. дулааны хэмжээний алгебрийн нийлбэртэй тэнцүү байна: A = Q X + Q 2 .

Тиймээс,

Ажиллаж буй бодисын хүлээн авсан дулаан Q v эерэг, ажлын бодисоос хөргөгчинд өгсөн Q 2 дулааны хэмжээ сөрөг байна.

ТУХАЙ ах дүүгийн мөчлөг 2 нь хөргөлтийн машины ажиллагаатай тохирч, өөрөөр хэлбэл хөргөгчөөс дулаан авч, халаагуур руу илүү их дулаан дамжуулдаг систем юм. Термодинамикийн хоёр дахь хуулиас харахад энэ процесс (Зураг 10.6) нь гадны биетүүдийн ажлын улмаас өөрөө явагдах боломжгүй; Энэ тохиолдолд хий нь сөрөг ажил хийдэг: 2-a-1 процесс дахь шахалтын ажил нь сөрөг, ажил. Процесс дахь алгебрийн тэлэлтийн үр дүнд 1-6-2 эерэг байна. Дүгнэлтийн үр дүнд бид 2-a-1-b-2 муруйгаар хязгаарлагдах талбайтай тоон утгаараа тэнцүү хийн сөрөг ажлыг олж авна.

Карногийн циклийг (Зураг 10.7) авч үзье, өөрөөр хэлбэл T 1 ба T 2 (T 1 > T 2) температурт тохирох хоёр изотерм 1-2, 3-4, мөн хоёр адиабат 2-3-аас бүрдэх дугуй процессыг авч үзье. 4-1. Энэ мөчлөгт ажлын бодис нь хамгийн тохиромжтой хий юм. Халаагчаас ажлын бодис руу дулаан дамжуулах нь T 1 температурт, ажлын бодисоос хөргөгч рүү - T 2 температурт явагддаг. Карногийн урвуу циклийн үр ашиг нь зөвхөн халаагч ба хөргөгчийн T 1 ба T 2 температураас хамаарна гэдгийг нотлох баримтгүйгээр бид онцолж байна.

Карно термодинамикийн 2-р хуулинд үндэслэн дараах саналыг нотолсон: хоёр изотерм ба хоёр адиабатаас бүрдэх, Tg температурт халаагч, T2 температурт хөргөгчтэй циклээр ажилладаг бүх урвуу машинуудын үр ашиг тус бүртэй тэнцүү байна. бусад бөгөөд циклийг гүйцэтгэж буй машины бүтэц, бодисоос хамаарахгүй; Буцах боломжгүй машины үр ашиг нь буцах машины үр ашгаас бага байдаг.

(10.9) ба (10.10)-д үндэслэсэн эдгээр заалтыг маягтаар бичиж болно

Энд "=" тэмдэг нь урвуу гогцоог илэрхийлдэг ба "<» - к необ­ратимому.

Энэ илэрхийлэл нь хоёр дахь зарчмын тоон томъёолол юм. Үүний үр дагавар нь хэсгийн эхэнд өгөгдсөн чанарын томъёолол гэдгийг харуулъя.

Ажил гүйцэтгэхгүйгээр хоёр биетийн хооронд дулаан солилцоо явагдана гэж үзье, өөрөөр хэлбэл Q l + Q 2 = 0. Дараа нь [харна уу. (10.11)] T 1 - T 2 > 0 ба T 1 > T 2 нь Клаузиусын томъёололд нийцдэг: аяндаа үүсэх процесст дулаан нь өндөр температуртай биеэс бага температуртай бие рүү шилждэг.

Дулааны машин дулаан солилцооны явцад хүлээн авсан бүх энергийг ажил гүйцэтгэхэд бүрэн зарцуулж, хөргөгчинд эрчим хүч өгөхгүй тохиолдолд Q 2 = 0 ба (10.11) -ээс бид.

Энэ нь боломжгүй, учир нь T 1 ба T 2 эерэг байдаг. Энэ нь Томсоны хоёр дахь төрлийн мөнхийн хөдөлгөөнт машин байх боломжгүй гэсэн томъёоллыг дагаж мөрддөг. Илэрхийлэлийг хувиргацгаая (10.11):

Ажиллаж буй бодисоос хүлээн авсан буюу ялгаруулж буй дулааны хэмжээг дулаан солилцох температурт харьцуулсан харьцааг дулааны бууруулсан хэмжээ гэнэ.

Иймд (10.12)-ыг дараах байдлаар томъёолж болно: нэг мөчлөгт багассан дулааны алгебрийн нийлбэр нь тэгээс ихгүй байна (буцах мөчлөгт энэ нь тэг, эргэлт буцалтгүй мөчлөгт тэгээс бага байна).

Хэрэв системийн төлөв байдал нь Карногийн мөчлөгийн дагуу биш, харин дурын мөчлөгийн дагуу өөрчлөгддөг бол түүнийг Карногийн хангалттай жижиг мөчлөгийн багц хэлбэрээр төлөөлж болно (Зураг 10.8). Дараа нь илэрхийлэл (10.12) нь хангалттай бага хэмжээний дулааны нийлбэр болгон хувиргах бөгөөд энэ нь хязгаарт интегралаар илэрхийлэгдэх болно.

Илэрхийлэл (10.13) ямар ч эргэлт буцалтгүй (" тэмдэг"-д хүчинтэй.<») или обратимого (знак «=») цикла; dQ/T - элементарная при­веденная теплота. Кружок на знаке интеграла означает, что интег­рирование проводится по замкнутому контуру, т. е. по циклу. 1 Рассмотрим обратимый цикл (см. рис. 10.5), состоящий из двух процессов аи б. Для него справедливо равенство:

(10.13) дээр тулгуурлан бид урвуу мөчлөгийн хувьд байна

БА
b зам дагуух интеграцийн хязгаарыг өөрчилснөөр бид олж авна

Сүүлийнх нь системийг нэг төлөвөөс нөгөөд шилжүүлэх үед буурсан дулааны нийлбэр нь процессоос хамаардаггүй бөгөөд тухайн хийн массын хувьд зөвхөн системийн эхний ба эцсийн төлөвөөр тодорхойлогддог гэсэн үг юм. . Зураг дээр. 10.9-д анхны 1 ба эцсийн 2 төлөв нийтлэг байдаг төрөл бүрийн урвуу үйл явцын (a, b, c) графикуудыг үзүүлэв. Эдгээр процесс дахь дулааны хэмжээ, ажлын хэмжээ өөр боловч өгөгдсөн дулааны нийлбэр нь ижил байна.

Үйл явц эсвэл хөдөлгөөнөөс хамаардаггүй физик шинж чанарыг ихэвчлэн үйл явцын эцсийн болон анхны төлөв эсвэл системийн байрлалд тохирох зарим функцийн хоёр утгын зөрүүгээр илэрхийлдэг. Жишээлбэл, таталцлын ажлын бие даасан байдал нь траекторийн төгсгөлийн цэгүүдийн боломжит энергийн зөрүүгээр дамжуулан энэ ажлыг илэрхийлэх боломжийг олгодог; Цахилгаан статик талбайн хүчний ажлын цэнэгийн траектороос бие даасан байдал нь энэ ажлыг хөдөлж байх үед талбайн хил хязгаарын цэгүүдийн хоорондох боломжит зөрүүтэй холбох боломжийг олгодог.

Үүний нэгэн адил, урвуу үйл явцын бууруулсан дулааны нийлбэрийг энтропи гэж нэрлэдэг системийн төлөв байдлын тодорхой функцийн хоёр утгын зөрүүгээр илэрхийлж болно.

Энд S 2 ба S 1 нь эцсийн 2 ба эхний 1 төлөв дэх энтропи юм. Тиймээс энтропи нь системийн төлөв байдлын функц бөгөөд хоёр төлөвийн утгын зөрүү нь системийг нэг төлөвөөс нөгөөд шилжүүлэх явцад буурсан дулааны нийлбэртэй тэнцүү байна.

Хэрэв процесс эргэлт буцалтгүй бол тэгш байдал (10.15) биелэхгүй. Буцах боломжтой 2-b-1 ба эргэлт буцалтгүй 1-а-2 процессуудаас бүрдэх циклийг өгье (Зураг 10.10). Циклийн нэг хэсэг нь эргэлт буцалтгүй байдаг тул бүх мөчлөг нь эргэлт буцалтгүй байдаг тул (10.13) дээр үндэслэн бид бичнэ.

(10.15)-ын дагуу бид (10.16)-ын оронд, эсвэл авна

Тиймээс эргэлт буцалтгүй процессын үед буурсан дулааны нийлбэр нь энтропийн өөрчлөлтөөс бага байна. (10.15) ба (10.17) -ийн баруун талыг нэгтгэснээр бид олж авна.

Энд “=” тэмдэг нь эргэлт буцалтгүй процессыг, “>” тэмдэг нь эргэлт буцалтгүй процессыг илэрхийлнэ.

(10.18) хамаарлыг (10.11) үндсэн дээр олж авсан тул термодинамикийн хоёрдугаар хуулийг мөн илэрхийлдэг.

Энтропийн физик утгыг олж мэдье.

Формула (10.15) нь зөвхөн энтропийн зөрүүг өгдөг бол энтропи өөрөө дурын тогтмол хүртэл тодорхойлогддог.

Хэрэв систем нь нэг төлөвөөс нөгөөд шилжсэн бол үйл явцын шинж чанараас үл хамааран - энэ нь буцах эсвэл эргэлт буцалтгүй эсэхээс үл хамааран энтропийн өөрчлөлтийг (10.15) томъёог ашиглан эдгээр төлөвүүдийн хооронд болж буй урвуу үйл явцын хувьд тооцоолно. Энэ нь энтропи нь системийн төлөв байдлын функцтэй холбоотой юм.

Хоёр төлөвийн энтропийн зөрүүг буцаах изотерм процесст хялбархан тооцдог.

Энд Q нь тогтмол температурт T 1-р төлөвөөс 2-р төлөвт шилжих үед системд хүлээн авсан дулааны нийт хэмжээ. Сүүлийн томъёог хайлах, уурших гэх мэт үйл явц дахь энтропийн өөрчлөлтийг тооцоолоход ашигладаг. Эдгээрт тохиолдолд Q нь фазын дулааны хувиргалт юм. Хэрэв процесс нь тусгаарлагдсан системд явагддаг бол (dQ = 0), дараа нь [харна уу (10.18)] урвуу процесст энтропи өөрчлөгдөхгүй: S 2 - S 1 = 0, S = const, эргэлт буцалтгүй процесст энэ нь нэмэгддэг. Үүнийг тусгаарлагдсан систем бүрдүүлж, T 1 ба T 2 температуртай (T 1 > T 2) хоёр биетийн хоорондох дулаан солилцооны жишээгээр дүрсэлж болно. Хэрэв бага хэмжээний дулаан dQ эхний биеэс 2-р бие рүү шилжвэл эхний биеийн энтропи dS 1 = dQ/T 1 буурч, 2-р биеийн энтропи dS 2 = dQ/T 2 нэмэгдэнэ. Дулааны хэмжээ бага тул дулаан солилцооны явцад эхний болон хоёр дахь биеийн температур өөрчлөгддөггүй гэж бид үзэж болно. Системийн энтропийн нийт өөрчлөлт эерэг байна:

улмаар тусгаарлагдсан системийн энтропи нэмэгддэг. Хэрэв энэ системд дулаан бага температуртай биеэс өндөр температуртай бие рүү аяндаа шилжсэн бол системийн энтропи буурах болно.

бөгөөд энэ нь (10.18) зөрчилдөж байна. Тиймээс системийн энтропи буурахад хүргэдэг процессууд тусгаарлагдсан системд тохиолдох боломжгүй (термодинамикийн хоёр дахь хуулийн өөр нэг томъёолол).

Тусгаарлагдсан систем дэх энтропийн өсөлт нь хязгааргүй үргэлжлэхгүй. Дээр авч үзсэн жишээнд биетүүдийн температур цаг хугацааны явцад жигдэрч, тэдгээрийн хоорондох дулаан дамжуулалт зогсч, тэнцвэрт байдал үүснэ (§ 10.1-ийг үзнэ үү). Энэ төлөвт системийн параметрүүд өөрчлөгдөхгүй байх ба энтропи хамгийн дээд хэмжээнд хүрнэ.

Молекул кинетик онолын дагуу энтропи нь систем дэх бөөмсийн зохион байгуулалтын эмх замбараагүй байдлын хэмжүүр гэж хамгийн амжилттайгаар тодорхойлж болно. Жишээлбэл, хийн эзэлхүүн буурах тусам түүний молекулууд бие биенээсээ илүү тодорхой байр суурийг эзлэхээс өөр аргагүй болдог бөгөөд энэ нь систем дэх илүү их дараалалд нийцэж байгаа бол энтропи буурдаг. Тогтмол температурт хий конденсаци эсвэл шингэн талсжих үед дулаан ялгарч, энтропи буурдаг. Мөн энэ тохиолдолд бөөмсийн зохион байгуулалтын дараалал нэмэгдэж байна.

Системийн төлөв байдлын эмгэг нь термодинамик магадлалаар тоон тодорхойлогддог W t ep . Үүний утгыг тодруулахын тулд a, b, c, d гэсэн дөрвөн хийн хэсгүүдээс бүрдэх системийг авч үзье (Зураг 10.11). Эдгээр хэсгүүд нь оюун санааны хувьд хоёр тэнцүү эсэд хуваагдсан эзэлхүүнд байрладаг бөгөөд дотор нь чөлөөтэй хөдөлж чаддаг.

Эхний болон хоёр дахь нүднүүдийн тоосонцороор тодорхойлогддог системийн төлөвийг макро төлөв гэж нэрлэнэ; Эс тус бүрт ямар тодорхой тоосонцор байгааг тодорхойлдог системийн төлөв нь микро төлөв юм. Дараа нь (Зураг 10.11, а) макро төлөвийг - эхний эсэд нэг бөөм, хоёр дахь гурван бөөмийг дөрвөн микро мужид гүйцэтгэдэг. Эс тус бүрт хоёр ширхэг дөрвөн ширхэгийг жигд байрлуулахад тохирсон макро төлөв нь зургаан микро төлөвт (Зураг 10.11.6) хэрэгждэг.

Термодинамик магадлал гэдэг нь бөөмсийг байрлуулах аргын тоо эсвэл өгөгдсөн макро төлөвийг хэрэгжүүлэх микро төлөвийн тоо юм.

Үзсэн жишээнүүдэд эхний тохиолдолд W t ep = 4, хоёр дахь тохиолдолд W t ep = 6 байна. Эсийн хооронд бөөмсийн жигд тархалт (тус бүр хоёр) нь термодинамикийн өндөр магадлалтай тохирч байгаа нь ойлгомжтой. Нөгөө талаас, бөөмсийн жигд тархалт нь хамгийн их энтропи бүхий тэнцвэрийн төлөвтэй тохирч байна. Магадлалын онолоос харахад өөртөө үлдээсэн систем нь хамгийн олон тооны микро төлөвт, өөрөөр хэлбэл хамгийн их термодинамик магадлал бүхий төлөвт хүрэх макро төлөвт хүрэх хандлагатай байдаг.

Хэрэв хий тэлэх боломжийг олговол түүний молекулууд бүх боломжит эзэлхүүнийг жигд эзлэх хандлагатай байдаг бөгөөд энэ процесст энтропи нэмэгддэг гэдгийг анхаарна уу. Урвуу үйл явц - молекулууд эзлэхүүний зөвхөн нэг хэсгийг, жишээлбэл, хагас өрөөг эзлэх хандлага ажиглагддаггүй, энэ нь термодинамикийн магадлал багатай, энтропи багатай төлөвтэй тохирно.

Эндээс бид энтропи нь термодинамик магадлалтай холбоотой гэж дүгнэж болно. Больцман энтропи нь термодинамик магадлалын логарифмтай шугаман хамааралтай болохыг тогтоожээ.

Энд k нь Больцманы тогтмол.

Термодинамикийн хоёр дахь хууль нь жишээлбэл, термодинамикийн нэгдүгээр хууль эсвэл Ньютоны хоёр дахь хуулиас ялгаатай нь статистикийн хууль юм.

Тодорхой үйл явцын боломжгүй байдлын талаархи хоёрдахь зарчмын мэдэгдэл нь үндсэндээ тэдний маш бага магадлал, практикт - магадлалгүй, өөрөөр хэлбэл боломжгүй байдлын тухай мэдэгдэл юм.

Сансар огторгуйн хувьд термодинамикийн хоёр дахь хуулиас мэдэгдэхүйц хазайлт ажиглагдаж байгаа боловч энэ нь бүхэл бүтэн ертөнц, түүнчлэн цөөн тооны молекулуудаас бүрдэх системд хамаарахгүй.

Эцэст нь хэлэхэд, хэрэв термодинамикийн эхний хууль нь үйл явцын энергийн тэнцвэрийг агуулдаг бол хоёр дахь хууль нь түүний боломжит чиглэлийг харуулна гэдгийг бид дахин тэмдэглэж байна. Термодинамикийн хоёр дахь хууль нь эхний хуулийг ихээхэн нөхдөг шиг энтропи нь энергийн тухай ойлголтыг нөхдөг.

Термодинамикийн хоёр дахь хууль нь Н.Карно, В.Томсон (Келвин), Р.Клаузиус, Л.Больцман, В.Нернст нарын нэртэй холбоотой.

Термодинамикийн хоёр дахь хууль нь энтропи гэсэн шинэ төлөвийн функцийг бий болгодог. Р.Клаузиусын санал болгосон "энтропи" гэсэн нэр томъёо нь грек хэлнээс гаралтай. энтропи"өөрчлөх" гэсэн утгатай.

А.Зоммерфельдийн томъёололд “энтропи” гэсэн ойлголтыг танилцуулах нь зөв байх: “Термодинамик систем бүр энтропи хэмээх төлөв байдлын функцтэй байдаг. Энтропийг дараах байдлаар тооцно. Системийг дур мэдэн сонгосон анхны төлөвөөс тэнцвэрийн төлөвүүдийн дарааллаар харгалзах эцсийн төлөвт шилжүүлдэг; Системд дамжуулж буй дулааны dQ-ийн бүх хэсгийг тооцоолж, тус бүрийг харгалзах үнэмлэхүй температурт хуваана Т,Үүний дагуу олж авсан бүх утгыг нэгтгэн дүгнэв (термодинамикийн хоёр дахь хуулийн эхний хэсэг). Бодит (идеал бус) процессын үед тусгаарлагдсан системийн энтропи нэмэгддэг (термодинамикийн хоёрдугаар хуулийн хоёрдугаар хэсэг).

Эрчим хүчний хэмжээг бүртгэх, хадгалах нь тодорхой үйл явцын боломжийг шүүх хангалттай биш байна. Эрчим хүчийг зөвхөн тоо хэмжээгээр төдийгүй чанараар нь тодорхойлох ёстой. Тодорхой чанарын энерги аяндаа зөвхөн бага чанарын энерги болж хувирах нь чухал юм. Эрчим хүчний чанарыг тодорхойлдог хэмжигдэхүүн бол энтропи юм.

Амьд ба амьгүй материйн процессууд ерөнхийдөө хаалттай тусгаарлагдсан систем дэх энтропи нэмэгдэж, энергийн чанар буурдаг байдлаар явагддаг. Энэ бол термодинамикийн хоёрдугаар хуулийн утга юм.

Хэрэв бид энтропийг S гэж тэмдэглэвэл

Энэ нь Соммерфельдийн хэлснээр хоёрдугаар хуулийн эхний хэсэгтэй тохирч байна.

Термодинамикийн эхний хуулийн тэгшитгэлд энтропийн илэрхийлэлийг орлуулж болно.

dU=T×dS – dU.

Энэ томъёог уран зохиолд Гиббсийн харьцаа гэж нэрлэдэг. Энэхүү үндсэн тэгшитгэл нь термодинамикийн нэг ба хоёрдугаар хуулиудыг нэгтгэсэн бөгөөд үндсэндээ бүх тэнцвэрийн термодинамикийг тодорхойлдог.

Хоёрдахь зарчим нь байгаль дахь үйл явцын тодорхой чиглэлийг тогтоодог, өөрөөр хэлбэл "цаг хугацааны сум" юм.

Энтропийн хамгийн гүн утга нь энтропийн статик үнэлгээгээр илэрдэг. Больцманы зарчмын дагуу энтропи нь мэдэгдэж буй хамаарлаар системийн төлөв байдлын магадлалтай холбоотой байдаг.

С=K × LnW,

Хаана Внь термодинамик магадлал, ба TO- Больцман тогтмол.

Термодинамикийн магадлал буюу статик жин гэдэг нь тухайн термодинамик төлөвт харгалзах координат ба хурдны дагуу бөөмсийн янз бүрийн тархалтын тоо гэж ойлгогддог. Тусгаарлагдсан системд 1-р төлөвөөс 2-т шилжих аливаа процессын хувьд Δ өөрчлөлт Втермодинамик магадлал эерэг буюу тэгтэй тэнцүү байна:

ΔW = W 2 – W 1 ≥ 0

Урвуу процессын хувьд ΔW = 0, өөрөөр хэлбэл термодинамик магадлал тогтмол байна. Хэрэв эргэлт буцалтгүй үйл явц тохиолдвол Δ W> 0 ба Внэмэгддэг. Энэ нь эргэлт буцалтгүй үйл явц нь системийг магадлал багатай байдлаас илүү магадлалтай руу шилжүүлдэг гэсэн үг юм. Термодинамикийн хоёр дахь хууль нь хаалттай системийг бүрдүүлдэг олон тооны бөөмсийн эмх замбараагүй хөдөлгөөний хэв маягийг тодорхойлдог, өөрөөр хэлбэл энтропи нь систем дэх бөөмсийн санамсаргүй байдлын хэмжүүрийг тодорхойлдог.

Р.Клаузиус термодинамикийн хоёрдугаар хуулийг дараах байдлаар тодорхойлсон.

Дугуй процесс нь боломжгүй бөгөөд цорын ганц үр дүн нь дулааныг бага халсан биеэс илүү халсан бие рүү шилжүүлэх явдал юм (1850).

Энэ томъёололтой холбогдуулан 19-р зууны дунд үед. Орчлон ертөнцийн дулааны үхэл гэж нэрлэгддэг асуудлыг тодорхойлсон. Орчлон ертөнцийг хаалттай систем гэж үзээд Р.Клаузиус термодинамикийн хоёрдугаар хуульд тулгуурлан, эрт орой хэзээ нэгэн цагт Орчлон ертөнцийн энтропи дээд цэгтээ хүрэх ёстой гэж үзсэн. Дулаан илүү халсан биеэс бага халсан бие рүү шилжсэнээр орчлон ертөнцийн бүх биеийн температур ижил байх болно, дулааны бүрэн тэнцвэрт байдал үүсч, орчлон ертөнц дэх бүх үйл явц зогсох болно - дулааны үхэл. Орчлон ертөнц бий болно.

Орчлон ертөнцийн дулааны үхлийн тухай дүгнэлтийн алдаа нь термодинамикийн хоёр дахь хуулийг хаалттай систем биш, харин эцэс төгсгөлгүй хөгжиж буй системд хэрэглэх боломжгүй байдагт оршино. Орчлон ертөнц тэлж, галактикууд нэмэгдэж буй хурдаар тархаж байна. Орчлон ертөнц хөдөлгөөнгүй биш.

Термодинамикийн 2-р хуулийг томъёолох нь хүний ​​олон зуун жилийн туршлагын үр дүнд бий болсон постулатууд дээр суурилдаг. Дээр дурьдсан Клаусиусын постулатаас гадна хамгийн алдартай нь Томсоны (Келвин) постулат бөгөөд энэ нь хоёр дахь төрлийн мөнхийн дулааны хөдөлгүүр (мөнхийн хөдөлгөөнт), өөрөөр хэлбэл бүрэн дулааны хөдөлгүүрийг бүтээх боломжгүй тухай өгүүлдэг. дулааныг ажил болгон хувиргадаг. Энэхүү постулатын дагуу өндөр температуртай дулааны эх үүсвэрээс хүлээн авсан бүх дулааны дулаан шингээгчээс зөвхөн нэг хэсгийг нь ажил болгон хувиргаж болно. Үлдсэн хэсгийг харьцангуй бага температуртай дулаан шингээгч рүү шилжүүлэх ёстой, өөрөөр хэлбэл дулааны хөдөлгүүрийг ажиллуулахад өөр өөр температуртай дор хаяж хоёр дулааны эх үүсвэр шаардлагатай болно.

Энэ нь бидний эргэн тойрон дахь агаар мандлын дулааныг эсвэл далай, далай тэнгисийн дулааныг бага температуртай ижил хэмжээний дулааны эх үүсвэр байхгүй тохиолдолд ажил болгон хувиргах боломжгүй шалтгааныг тайлбарлаж байна.

аяндаа болон аяндаа бус үйл явц. Термодинамикийн хувьд буцах ба эргэлт буцалтгүй процессууд. Урвуу үйл явцын ажил ба дулаан. Термодинамикийн хоёр дахь хуулийн томъёолол. Энтропи ба түүний шинж чанарууд. Температур, даралт, эзэлхүүнээс энтропийн хамаарал. Фазын шилжилтийн үед энтропийн өөрчлөлт. Термодинамикийн хоёр дахь хуулийн статистик тайлбар. Системийн төлөв байдлын термодинамик магадлалын тухай ойлголт. Больцман - Планкийн тэгшитгэл. Материйн абсолют энтропийн тооцоо. Өөр өөр температурт химийн урвалын үед энтропийн өөрчлөлтийг тооцоолох.

Термодинамикийн 1-р хууль нь системийн нийт энергийн өөрчлөгдөөгүй байдлаас шалтгаалан энергийн нэг хэлбэрийг нөгөө хэлбэрт хувиргах тооцоолол хийх боломжийг олгодог боловч энэ үйл явцын боломж, түүний гүн гүнзгий байдлын талаар дүгнэлт хийх боломжгүй юм. чиглэл.

Эдгээр асуултад хариулахын тулд практик өгөгдөл дээр үндэслэн термодинамикийн хоёр дахь хуулийг томъёолсон. Үүн дээр үндэслэн аяндаа үүсэх үйл явц, түүний үүсэх хязгаар, нөхцөл, ажлын болон дулааны хэлбэрээр хэр их энерги ялгарах талаар тооцоолж, дүгнэлт хийж болно.

Хоёрдахь хууль нь зөвхөн макроскопийн системд хамаарна. Термодинамикийн хоёрдугаар хуулийн заалтууд:

Р.Клаузиусын томъёолол:

Дулаан нь бага халсан биеэс илүү халсан бие рүү аяндаа шилжиж чадахгүй.

Цорын ганц үр дүн нь дулааныг ажил болгон хувиргах процесс нь боломжгүй юм.

М.Планк, В.Томсон нарын санал болгосон томъёолол:

Дулааны эх үүсвэрийг (хоёр дахь төрлийн байнгын хөдөлгөөнт машин) хөргөх замаар бүх үйлдэл нь ажил үйлдвэрлэхэд хүргэдэг машиныг бүтээх боломжгүй юм.

Дулааны хөдөлгүүрийн ажиллагааг авч үзье, өөрөөр хэлбэл. халаагч гэж нэрлэгддэг биеэс шингэсэн дулааны улмаас ажил хийдэг машин. T 1 температуртай халаагуур нь Q 1 дулааныг ажлын шингэн рүү шилжүүлдэг, жишээлбэл, А өргөтгөлийн ажлыг гүйцэтгэдэг хамгийн тохиромжтой хий; анхны төлөвтөө буцаж орохын тулд ажлын шингэн нь бага температуртай T 2 (хөргөгч) -д тодорхой хэмжээний дулаан Q 2 шилжих ёстой.

Дулааны хөдөлгүүрийн гүйцэтгэсэн ажлын А-г халаагчаас авсан Q 1 дулааны хэмжээтэй харьцуулсан харьцааг машины термодинамик үр ашгийн коэффициент (үр ашиг) h:

Дулааны хөдөлгүүрийн диаграм

Термодинамикийн 2-р хуулийн математик илэрхийллийг олж авахын тулд хамгийн тохиромжтой дулааны хөдөлгүүрийн ажиллагааг (үрэлт ба дулааны алдагдалгүйгээр урвуу байдлаар ажилладаг машин; ажлын шингэн нь хамгийн тохиромжтой хий) авч үзье. Машины ажиллагаа нь урвуу циклийн процесс - термодинамик Карногийн мөчлөгийн зарчим дээр суурилдаг (Зураг 1.2).

Циклийн бүх хэсэгт ажиллах илэрхийлэл бичье.

Карногийн мөчлөг.

1 - 2 изотермийн тэлэлт.

Хий нь эргэлт буцалтгүй тэлж, Q дулааныг шингээж, энэ дулаантай дүйцэхүйц ажил үүсгэдэг.

2 - 3 Адиабат тэлэлт.

Температур нь T 2 хүртэл буурдаг:

4 - 1 Адиабат шахалт.

Систем анхны төлөвтөө буцаж ирдэг.

Цикл дэх ерөнхий ажил:

3 - 4 изотермийн шахалт.

Хий нь Q дулааныг хөргөгч рүү шилжүүлдэг бөгөөд энэ нь ажилтай тэнцүү юм (томъёог харна уу)

Карногийн мөчлөгийн дагуу ажилладаг хамгийн тохиромжтой дулааны хөдөлгүүрийн үр ашиг:

Эндээс харахад дулааны хөдөлгүүрийн хамгийн их үр ашиг нь зөвхөн халаагч ба хөргөгчийн температурын зөрүүгээр тодорхойлогддог. Аливаа циклийг Карногийн хязгааргүй олон мөчлөгт хувааж болох тул үүссэн илэрхийлэл нь ямар ч мөчлөгийн дагуу урвуу ажилладаг дулааны хөдөлгүүрт хүчинтэй байна.

Эргэшгүй ажилладаг дулааны хөдөлгүүрийн хувьд:

Ерөнхий тохиолдолд бид дараахь зүйлийг бичиж болно.

Энэ нь T 2 нь 0 0 K-тэй тэнцүү байх тохиолдолд л үр ашиг нь нэгдмэл байдалтай тэнцүү байж болохыг харуулж байгаа бөгөөд энэ нь бараг боломжгүй юм.

Энэ үе шатанд энтропи гэсэн ойлголтыг нэвтрүүлэх нь зүйтэй. Системийн дотоод энерги нь уламжлалт байдлаар "чөлөөт" ба "хязгаарлагдмал" энергиэс бүрддэг бөгөөд "чөлөөт" энерги нь ажил болж хувирч, "хязгаарлагдмал" энерги нь зөвхөн дулаан болж хувирдаг. Температурын зөрүү бага байх тусам холбогдох энергийн хэмжээ их байх ба T = const үед дулааны хөдөлгүүр ажил үүсгэж чадахгүй. Холбоотой энергийн хэмжүүр нь энтропи гэж нэрлэгддэг төлөв байдлын шинэ термодинамик функц юм.

Карногийн мөчлөг дээр үндэслэсэн энтропийн тодорхойлолтыг танилцуулъя. Илэрхийлэлийг (I.41) дараах хэлбэрт шилжүүлье.

Эндээс бид Карногийн урвуу циклийн хувьд дулааны хэмжээг системд дулаан дамжуулах температурын харьцаа (багасгасан дулаан гэж нэрлэдэг) тогтмол утга болохыг олж мэднэ.

Энэ нь ямар ч урвуу мөчлөгт үйл явцын хувьд үнэн юм, учир нь Үүнийг Карногийн анхан шатны мөчлөгүүдийн нийлбэр болгон төлөөлж болно

Дурын урвуу мөчлөгийн бууруулсан дулааны алгебрийн нийлбэр тэгтэй тэнцүү байна.

Аливаа мөчлөгийн хувьд бид хаалттай давталтын интегралыг бичиж болно:

Хаалттай давталтын интеграл нь тэгтэй тэнцүү бол интеграл тэмдгийн доорх илэрхийлэл нь зарим төлөвийн функцийн нийт дифференциал болно; Энэ төлөвийн функц нь S энтропи:

Хэрэв систем 1-р төлөвөөс 2-р төлөв рүү урвуу шилжсэн бол энтропийн өөрчлөлт дараахтай тэнцүү байна.

Термодинамикийн нэгдүгээр хуулийн илэрхийлэлд энтропийн өөрчлөлтийн утгыг орлуулснаар бид буцах процессуудын термодинамикийн хоёр хуулийн хамтарсан аналитик илэрхийлэлийг олж авна.

Буцааж болшгүй процессуудын хувьд бид дараах тэгш бус байдлыг бичиж болно.

Урвуу үйл явцын ажил нь эргэлт буцалтгүй хийгдсэн ижил үйл явцынхаас үргэлж их байдаг. Хэрэв бид тусгаарлагдсан системийг авч үзвэл (dQ = 0) буцах процессын хувьд dS = 0, аяндаа эргэлт буцалтгүй процессын хувьд dS > 0 гэдгийг харуулахад хялбар болно.

Тусгаарлагдсан системд зөвхөн энтропийн өсөлт дагалддаг процессууд аяндаа явагддаг.

Тусгаарлагдсан системийн энтропи аяндаа буурах боломжгүй.

Эдгээр хоёр дүгнэлт нь термодинамикийн хоёрдугаар хуулийн томъёолол юм.

Энтропийн статистик тайлбар

Сонгодог механикийн үзэл баримтлалыг молекулын системд ашигласнаар атомыг материаллаг цэгтэй адилтгаж, түүнд гурван эрх чөлөөний зэрэг өгдөг (өөрөөр хэлбэл, энэ бодолт дахь чөлөөт байдлын зэрэг нь түүний байрлалыг тодорхойлдог бие даасан хувьсагчдын тоо юм. орон зай дахь механик систем). Ийм байдлаар атомуудыг ялгаж, дугаарлах боломжтой гэж үздэг.

Сонгодог термодинамик нь системийн дотоод бүтцээс үл хамааран үргэлжилж буй процессуудыг авч үздэг; Тиймээс сонгодог термодинамикийн хүрээнд энтропийн физик утгыг харуулах боломжгүй юм. Энэ асуудлыг шийдэхийн тулд Л.Больцман дулааны онолд статистикийн ойлголтуудыг оруулсан. Системийн төлөв бүрт термодинамик магадлал (системийн өгөгдсөн макро төлөвийг бүрдүүлдэг микро төлөвийн тоогоор тодорхойлогддог) оноогдсон байдаг), энэ төлөв илүү их эмх замбараагүй эсвэл тодорхойгүй байна. Тиймээс энтропи нь системийн эмх замбараагүй байдлын зэргийг тодорхойлдог төлөв байдлын функц юм. Энтропи S ба термодинамик магадлал W хоорондын тоон хамаарлыг Больцманы томъёогоор илэрхийлнэ.

Статистикийн термодинамикийн үүднээс термодинамикийн хоёрдугаар хуулийг дараах байдлаар томъёолж болно.

Систем нь хамгийн их термодинамик магадлал бүхий төлөвт аяндаа шилжих хандлагатай байдаг.

Термодинамикийн хоёр дахь хуулийн статистик тайлбар нь системийн төлөв байдлын термодинамик магадлалын хэмжүүр болох энтропид тодорхой физик утгыг өгдөг.

Статистик жингийн тухай ойлголт. Өмнөх жишээн дээр олж авсан үр дүнг нэгтгэн үзвэл, өгөгдсөн макро төлөвийг хэрэгжүүлэх аргын тоо нь n-ийн N элементийн C хослолын тоотой тэнцүү болохыг баталж чадна.

C = N!/(n!·(N - n)!), энд n! = n·(n - 1)·(n - 2)···3·2·1.

Статистик жин буюу термодинамик магадлал W нь тухайн макро төлөвийг хэрэгжүүлэх арга замын тоо юм.

W(n, N - n) = N!/(n! (N - n)!)

Термодинамик магадлал нь энгийн магадлалтай пропорциональ гэдгийг батлахад хялбар байдаг. Молекулуудын эзлэхүүнд жигд тархсан төлөв нь хамгийн их магадлалтай гэсэн томьёогоор гарч байна. Гэсэн хэдий ч хэлбэлзэл гэж нэрлэгддэг энэхүү тэнцвэрт байдлаас ямар ч үед хазайх боломжтой байх нь чухал юм.

Термодинамикийн хоёр дахь хууль нь хязгаарлагдмал хурдтай явагдах бодит дулааны процессын чиглэлийг тодорхойлдог.

Хоёр дахь эхлэл(хоёр дахь хууль) термодинамик байна хэд хэдэн жор . Жишээлбэл, аливаа үйлдэл, эрчим хүчний хувиргалттай холбоотой(өөрөөр хэлбэл энерги нь нэг хэлбэрээс нөгөө хэлбэрт шилжих үед) хүрээлэн буй орчинд тархсан дулаан хэлбэрээр алдагдалгүйгээр үүсэх боломжгүй. Илүү ерөнхий хэлбэрээр энэ нь энерги нь төвлөрсөн (захиалгат) хэлбэрээс тархсан (эмх замбараагүй) хэлбэрт шилжих нөхцөлд л эрчим хүчийг хувиргах (хувиргах) үйл явц аяндаа явагдах боломжтой гэсэн үг юм.

Бас нэг зүйл тодорхойлолтТермодинамикийн хоёр дахь хууль нь шууд хамааралтай Клаузиусын зарчим : Халуун биеэс хүйтэн бие рүү дулаан шилжихээс өөр өөрчлөлт гарахгүй үйл явц нь эргэлт буцалтгүй, өөрөөр хэлбэл дулаан нь хүйтэн биеээс халуун руу аяндаа шилжиж чадахгүй. Үүний зэрэгцээ систем дэх эрчим хүчний ийм дахин хуваарилалт хэмжээгээр тодорхойлогддог , дуудсан энтропи , энэ нь термодинамик системийн төлөв байдлын функц (нийт дифференциалтай функц) болгон анх танилцуулагдсан. 1865 жил яг Клаузиус. Энтропи - энэ нь энергийн эргэлт буцалтгүй зарцуулалтын хэмжүүр юм. Дулаан хэлбэрээр эргэлт буцалтгүй ялгарах энерги их байх тусам энтропи их болно.

Тиймээс термодинамикийн хоёр дахь хуулийн эдгээр томъёоллуудаас бид дүгнэж болно ямар ч систем шинж чанар нь цаг хугацааны явцад өөрчлөгддөг тэнцвэрт байдалд хүрэхийг хичээдэг, аль нь системийн энтропихамгийн их утгыг авдаг. Үүнээс болж термодинамикийн хоёр дахь хуульихэвчлэн дууддаг энтропи өсөх хууль , мөн өөрөө энтропи (физик хэмжигдэхүүн эсвэл физик ойлголтоор) авч үзэж байна физик-химийн системийн дотоод эмгэгийн хэмжүүр болгон .

Өөрөөр хэлбэл, энтропи – төрийн функцхаалттай термодинамик систем дэх аяндаа үүсэх үйл явцын чиглэлийг тодорхойлох. Тэнцвэрийн төлөвт хаалттай системийн энтропи хамгийн дээд хэмжээнд хүрдэг бөгөөд ийм системд макроскопийн процесс явагдах боломжгүй. Хамгийн их энтропи нь бүрэн эмх замбараагүй байдалд нийцдэг .

Ихэнх тохиолдолд системийн нэг төлөвөөс нөгөөд шилжих нь энтропийн үнэмлэхүй утгаар тодорхойлогддоггүй С , түүний өөрчлөлт ∆ С , энэ нь дулааны хэмжээг (системд дамжуулах эсвэл түүнээс салгах) системийн үнэмлэхүй температуртай харьцуулсан харьцаатай тэнцүү байна: ∆ S= ∆Q/T Ж/град. Энэ нь гэж нэрлэгддэг зүйл юм термодинамик энтропи .

Нэмж дурдахад энтропи нь статистикийн утгатай. Нэг макро төлөвөөс нөгөөд шилжих үед статистик энтропи нэмэгддэг, учир нь ийм шилжилтийг үргэлж олон тооны микро төлөвүүд дагалддаг бөгөөд тэнцвэрийн төлөв (системийн хандлага) нь хамгийн их микро төлөвт байдаг.

Термодинамик дахь энтропийн тухай ойлголттой холбоотойгоор цаг хугацааны тухай ойлголт шинэ утга санааг олж авдаг. Сонгодог механикт цаг хугацааны чиглэлийг харгалздаггүй бөгөөд механик системийн төлөвийг өнгөрсөн болон ирээдүйн аль алинд нь тодорхойлж болно. Термодинамикийн хувьд цаг хугацаа нь систем дэх энтропийг нэмэгдүүлэх эргэлт буцалтгүй үйл явц хэлбэрээр илэрдэг.Өөрөөр хэлбэл, энтропи их байх тусам системийн хөгжилд удаан хугацаа өнгөрдөг.

Үүнээс гадна, энтропийн физик утгыг ойлгохгэдгийг санах хэрэгтэй Байгаль дээр термодинамикийн дөрвөн анги байдаг :

A) тусгаарлагдсан систем эсвэл хаалттай(ийм системүүдийг нэг төлөвөөс нөгөөд шилжүүлэх үед системийн хил хязгаарыг давж энерги, бодис, мэдээлэл дамжуулахгүй);

б) адиабат системүүд(зөвхөн хүрээлэн буй орчинтой дулааны солилцоо байхгүй);

V) хаалттай системүүд(хөрш зэргэлдээх системүүдтэй (жишээлбэл, сансрын хөлөг) энергийг солилцох, гэхдээ матери биш);

G) нээлттэй системүүд(байгаль орчинтой бодис, энерги, мэдээлэл солилцох). Эдгээр системүүдэд гаднаас эрчим хүч орж ирснээс болж энтропи хамаагүй бага байдаг задралын бүтэц үүсч болно.

Нээлттэй системийн хувьд энтропи буурдаг. Сүүлийнх нь юуны түрүүнд хамаатай биологийн системүүдөөрөөр хэлбэл амьд организмууд, Эдгээр нь нээлттэй тэнцвэргүй систем юм. Ийм систем нь химийн бодисын концентраци, температур, даралт болон бусад физик-химийн хэмжигдэхүүнүүдийн градиентаар тодорхойлогддог. Орчин үеийн, өөрөөр хэлбэл тэнцвэргүй термодинамикийн үзэл баримтлалыг ашиглах нь нээлттэй, өөрөөр хэлбэл бодит системийн үйл ажиллагааг дүрслэх боломжийг олгодог. Ийм систем нь хүрээлэн буй орчинтойгоо үргэлж энерги, бодис, мэдээлэл солилцдог. Түүнээс гадна ийм бодисын солилцооны үйл явц нь зөвхөн физик, биологийн системд төдийгүй нийгэм-эдийн засаг, соёл, түүх, хүмүүнлэгийн тогтолцооны онцлог шинж чанартай байдаг, учир нь тэдгээрт тохиолддог үйл явц нь дүрмээр бол эргэлт буцалтгүй байдаг.

Термодинамикийн гурав дахь хууль (термодинамикийн гуравдугаар хууль) нь "үнэмлэхүй тэг" гэсэн ойлголттой холбоотой юм. В.Нернст (Германы физикч)-ийн дулааны теоремд үзүүлсэн энэхүү хуулийн физик утга нь үнэмлэхүй тэг (-273.16ºС) хүрэх үндсэн боломжгүй бөгөөд энэ үед молекулуудын хөрвүүлэх дулааны хөдөлгөөн зогсох бөгөөд энтропи зогсох болно. системийн физик төлөвийн параметрүүдээс хамаарна (ялангуяа дулааны энергийн өөрчлөлтөөс). Нернстийн теорем нь зөвхөн системийн термодинамикийн тэнцвэрт байдалд хамаарна.

Өөрөөр хэлбэл, Нернстийн теоремыг дараах томъёогоор илэрхийлж болно: үнэмлэхүй тэг рүү ойртох үед энтропийн өсөлт∆С системийн төлөв байдлыг тодорхойлсон бүх параметрүүдийн авсан утгуудаас үл хамааран тодорхой тодорхойлогдсон эцсийн хязгаарт хүрэх хандлагатай байдаг.(жишээлбэл, эзэлхүүн, даралт, нэгтгэх төлөв гэх мэт).

Нернстийн теоремын мөн чанарыг ойлгохцагт боломжтой дараах жишээ. Хийн температур буурах тусам түүний конденсаци үүсч, молекулууд илүү эмх цэгцтэй байрладаг тул системийн энтропи буурах болно. Температур буурах тусам шингэний талсжилт үүсч, молекулуудын зохион байгуулалт илүү эмх цэгцтэй болж, улмаар энтропи улам бүр буурна. Үнэмлэхүй тэг температурт бүх дулааны хөдөлгөөн зогсч, эмх замбараагүй байдал алга болж, боломжит бичил төлөвийн тоо нэг болж буурч, энтропи тэг рүү ойртдог.

4. Өөрийгөө зохион байгуулах тухай ойлголт. Нээлттэй систем дэх өөрийгөө зохион байгуулах.

Үзэл баримтлал " синергетик" 1973 онд Германы физикч Херманн санал болгосон Хакен чиглэлийг зааж өгөх, дуудсан өөрийгөө зохион байгуулах ерөнхий хуулиудыг судлах - гадны хяналтын үйл ажиллагаагүйгээр нарийн төвөгтэй системийн элементүүдийн уялдаа холбоотой үйл ажиллагааны үзэгдэл. Синергетик (Грек хэлнээс орчуулсан - хамтарсан, зохицуулсан, хөнгөвчлөх) - шинжлэх ухааны чиглэл сурч байна бүтцийн элементүүдийн хоорондын холболт(дэд системүүд), үүсдэг нээлттэй системүүдэд (биологи, физик-хими, геологи-газарзүйн гэх мэт) эрчимтэй ачаар(дамжуулах) байгаль орчинтой бодис, энерги, мэдээлэл солилцох тэнцвэргүй нөхцөлд. Ийм системд дэд системүүдийн уялдаа холбоотой зан төлөв ажиглагдаж, үүний үр дүнд захиалгын зэрэг нэмэгддэг (энтропи буурдаг), өөрөөр хэлбэл өөрийгөө зохион байгуулах үйл явц үүсдэг.

Тэнцвэрамар амгалан, тэгш хэмийн байдал байдаг, А тэгш бус байдалхүргэдэг хөдөлгөөн ба тэнцвэргүй байдал руу .

Системийг өөрөө зохион байгуулах онолд оруулсан хувь нэмэрОрос гаралтай Бельгийн физикч оруулсан I.R. Пригожин (1917-2003). Тэр үүнийг харуулсан задлах системүүд (энтропийн задрал явагддаг системүүд) эргэлт буцалтгүй тэнцвэрт бус үйл явцын явцад эмх цэгцтэй формацууд үүсдэг бөгөөд үүнийг түүний нэрлэсэн. задрах бүтэц.

Өөрийгөө зохион байгуулах- Энэ эмх замбараагүй байдлаас дэг журам, зохион байгуулалт аяндаа үүсэх үйл явц(эмх замбараагүй байдал) нээлттэй тэнцвэргүй системд.Системийн параметрүүдийн тэнцвэрт байдлаас санамсаргүй хазайлт ( хэлбэлзэл) системийн үйл ажиллагаа, оршин тогтноход маш чухал үүрэг гүйцэтгэдэг. улмаас хэлбэлзлийн өсөлт хүрээлэн буй орчноос энерги шингээх үед систем заримд нь хүрдэг хүнд нөхцөл Тэгээд шинэ тогтвортой байдалд шилждэг-тай илүү нарийн төвөгтэй байдлын өндөр түвшин Тэгээд захиалга өмнөхтэй харьцуулахад. Шинэ суурин төлөвт өөрийгөө зохион байгуулдаг систем нь дотоод үйл явцын улмаас нэмэгддэг илүүдлийг хүрээлэн буй орчинд "хаягдаг" юм.

Эмх замбараагүй байдлаас гарч ирсэн захиалгат бүтэц (татагч , эсвэл задрах бүтэц) байна өрсөлдөөний үр дүнсистемд суулгагдсан бүх боломжит төлөвүүдийн багц. Өрсөлдөөний үр дүнд одоогийн нөхцөлд хамгийн дасан зохицох бүтэц аяндаа сонгогддог.

Синергетик нь үндсэн дээр суурилдагтэнцвэргүй үйл явцын термодинамик, санамсаргүй үйл явцын онол, шугаман бус хэлбэлзэл ба долгионы онол.

Синергетик нь системийн үүсэл, хөгжлийг судалдаг. Ялгах гурван төрлийн систем: 1) хаалттай, хөрш зэргэлдээх системүүдтэй (эсвэл хүрээлэн буй орчинтой) бодис, энерги, мэдээлэл солилцдоггүй; 2) хаалттай хөрш зэргэлдээх системүүдтэй (жишээлбэл, сансрын хөлөг) энерги солилцдог, гэхдээ матери биш; 3) нээлттэй, хөрш зэргэлдээх системүүдтэй бодис, энерги хоёуланг нь солилцдог. Бараг бүх байгалийн (экологийн) системүүд нь нээлттэй төрөл юм.

Системийн оршин тогтнолтөсөөлшгүй холболт байхгүй. Сүүлийнх нь шууд ба урвуу гэж хуваагддаг. Шууд тэд үүнийг дууддаг холболт , аль нэг элементэд ( А) өөр дээр ажилладаг ( IN) хариугүйгээр. At санал хүсэлт элемент INэлементийн үйлдэлд хариу үйлдэл үзүүлдэг А.Санал хүсэлт эерэг эсвэл сөрөг байж болно.

Эерэг санал хүсэлтүйл явцыг нэг чиглэлд эрчимжүүлэхэд хүргэдэг. Үүний нэг жишээ бол тухайн газрыг усжуулах (жишээлбэл, ой модыг устгасны дараа) юм. Үйл явцэхэлдэг үйлдэл хийхВ нэг чиглэл: чийг ихсэх – хүчилтөрөгчийн хомсдол – ургамлын үлдэгдлийн задрал удаашрах – хүлэрт хуримтлагдах – усжилт улам нэмэгдэнэ.

Сөрөг санал хүсэлтэлементийн үйл ажиллагааны өсөлтөд хариу үйлдэл үзүүлэх байдлаар ажилладаг Аэсрэг чиглэлд ажиллаж буй элементийн хүч нэмэгдэнэ B. Энэ холболт нь системийг төлөв байдалд байлгах боломжийг олгодог тогтвортой динамик тэнцвэр. Энэ бол байгалийн систем дэх хамгийн түгээмэл бөгөөд чухал холболтуудын төрөл юм. Эдгээр нь юуны түрүүнд экосистемийн тогтвортой байдал, тогтвортой байдлын үндэс суурь болдог.

Системийн чухал шинж чанарбайна үүсэх (Англи хэлнээс орчуулсан - гарч ирэх, шинэ зүйл гарч ирэх). Энэ шинж чанар нь системийн шинж чанарууд нь түүний бүрэлдэхүүн хэсгүүд эсвэл элементүүдийн шинж чанаруудын энгийн нийлбэр биш, харин системийн янз бүрийн холбоосуудын харилцан хамаарал нь түүний шинэ чанарыг тодорхойлдогт оршино.

Системийг авч үзэх синергетик арга нь дээр суурилдаг гурван ойлголт: тэнцвэргүй байдал, нээлттэй байдал Тэгээд шугаман бус байдал .

Тэнцвэргүй байдал(тогтворгүй байдал) – системийн төлөв, энэ үед түүний макроскоп үзүүлэлтүүд, өөрөөр хэлбэл найрлага, бүтэц, зан төлөвт өөрчлөлт гардаг.

Нээлттэй байдал -системийн чадвархүрээлэн буй орчинтой бодис, энерги, мэдээллийг байнга солилцдог бөгөөд "эх үүсвэр" - хүрээлэн буй орчноос эрчим хүчийг нөхөх бүс, тархах бүс, "живэх" аль аль нь байдаг.

Шугаман бус байдал -системийн өмчЭнэ системийн өөр өөр зөвшөөрөгдөх зан үйлийн хуулиудад нийцүүлэн өөр өөр суурин төлөвт үлдэх.

IN шугаман бус системүүд хөгжил нь шугаман бус хуулиудын дагуу явагддаг бөгөөд энэ нь тогтворгүй байдлаас гарах зам, хувилбаруудын олон талт сонголтод хүргэдэг. IN шугаман бус системүүд үйл явц нь элэгдэж болно огцом босго шинж чанаргадаад нөхцөл байдал аажмаар өөрчлөгдөхөд өөр чанарт огцом шилжилт ажиглагдах үед. Үүний зэрэгцээ хуучин бүтэц эвдэрч, чанарын хувьд шинэ бүтэц рүү шилждэг.

Мэдэгдэж байгаагаар термодинамикийн эхний хууль нь термодинамик процесс дахь энерги хадгалагдах хуулийг тусгадаг боловч үйл явцын чиглэлийн талаар ойлголт өгдөггүй. Нэмж дурдахад та эхний хуультай зөрчилдөхгүй олон термодинамик процессуудыг гаргаж ирж болно, гэхдээ бодит байдал дээр ийм процесс байдаггүй. Термодинамикийн хоёр дахь хууль (хууль) байгаа нь тодорхой үйл явцын боломжийг бий болгох хэрэгцээ шаардлагаас үүдэлтэй юм. Энэ хууль нь термодинамик процессын урсгалын чиглэлийг тодорхойлдог. Термодинамикийн хоёр дахь хуулийг боловсруулахдаа тэд энтропи ба Клаузиусын тэгш бус байдлын тухай ойлголтыг ашигладаг. Энэ тохиолдолд термодинамикийн хоёрдахь хуулийг хэрэв процесс эргэлт буцалтгүй бол хаалттай системийн энтропийн өсөлтийн хууль гэж томъёолсон болно.

Термодинамикийн хоёр дахь хуулийн мэдэгдлүүд

Хэрэв процесс хаалттай системд явагдах юм бол энэ системийн энтропи буурахгүй. Томъёоны хэлбэрээр термодинамикийн хоёрдугаар хуулийг дараах байдлаар бичнэ.

Энд S бол энтропи; L нь систем нэг төлөвөөс нөгөөд шилжих зам юм.

Термодинамикийн хоёрдахь хуулийн энэхүү томъёололд авч үзэж буй систем нь хаалттай байх ёстой гэдгийг анхаарах хэрэгтэй. Нээлттэй системд энтропи нь ямар ч байдлаар ажиллах боломжтой (энэ нь буурах, нэмэгдэх эсвэл тогтмол хэвээр байж болно). Хаалттай системд буцах процессын үед энтропи өөрчлөгддөггүй гэдгийг анхаарна уу.

Хаалттай системд эргэлт буцалтгүй процессын үед энтропийн өсөлт нь термодинамик систем бага магадлалтай төлөвөөс өндөр магадлалтай төлөв рүү шилжих явдал юм. Алдарт Больцманы томъёо нь термодинамикийн хоёр дахь хуулийн статистик тайлбарыг өгдөг.

Энд k нь Больцманы тогтмол; w - термодинамик магадлал (харгалзан авч буй системийн макро төлөвийг хэрэгжүүлэх арга замын тоо). Тиймээс термодинамикийн хоёр дахь хууль нь термодинамикийн системийг бүрдүүлдэг молекулуудын дулааны (эмх замбараагүй) хөдөлгөөний хэв маягийг тайлбарлахтай холбоотой статистикийн хууль юм.

Термодинамикийн хоёрдугаар хуулийн бусад томъёолол

Термодинамикийн хоёр дахь хуулийн өөр хэд хэдэн томъёолол байдаг.

1) Келвиний томъёолол: Дугуй процессыг бий болгох боломжгүй бөгөөд үр дүн нь зөвхөн халаагуураас хүлээн авсан дулааныг ажил болгон хувиргах болно. Термодинамикийн хоёр дахь хуулийн энэхүү томъёололоос тэд хоёр дахь төрлийн мөнхийн хөдөлгөөнт машин бүтээх боломжгүй гэж дүгнэжээ. Энэ нь үе үе ажилладаг дулааны машин нь халаагч, ажлын шингэн, хөргөгчтэй байх ёстой гэсэн үг юм. Энэ тохиолдолд хамгийн тохиромжтой дулааны хөдөлгүүрийн үр ашиг нь Карногийн мөчлөгийн үр ашгаас их байж болохгүй.

халаагчийн температур хаана байна; - хөргөгчийн температур; ( гарчиг=" QuickLaTeX.com-с үзүүлсэн" height="15" width="65" style="vertical-align: -3px;">).!}

2) Клаусиусын томъёолол: Бага температуртай биеэс өндөр температуртай бие рүү зөвхөн дулааныг шилжүүлэх дугуй процессыг бий болгох боломжгүй юм.

Термодинамикийн хоёр дахь хууль нь энергийн дамжуулалтын хоёр хэлбэрийн (ажил ба дулаан) үндсэн ялгааг тэмдэглэдэг. Энэ хуулиас харахад биеийн эмх цэгцтэй хөдөлгөөнөөс бүхэлдээ биеийн молекулууд болон гадаад орчны эмх замбараагүй хөдөлгөөнд шилжих нь эргэлт буцалтгүй үйл явц юм. Энэ тохиолдолд захиалгат хөдөлгөөн нь нэмэлт (нөхөн олговор) процессгүйгээр эмх замбараагүй болж хувирдаг. Харин эмх замбараагүй хөдөлгөөнөөс эмх цэгцтэй хөдөлгөөн рүү шилжих нь нөхөн олговор олгох үйл явцтай хамт байх ёстой.

Асуудлыг шийдвэрлэх жишээ

ЖИШЭЭ 1

ЖИШЭЭ 2