Закон сохранения энергии

Важнейшим понятием классической механики является понятие полной механической энергии. Немецкий физик Рудольф Эмануэль (1822 – 1888), более известный под псевдонимом Клаузиус, ввел понятие внутренней энергии тела как совокупной энергии всех молекул тела.

Исследования в этом направлении продолжили Роберт Майер, Джеймс Джоуль, Герман Гельмгольц. Благодаря их деятельности был сформулирован закон сохранения энергии.

Закон сохранения энергии. Существует величина, называемая энергией, которая сохраняется при любых процессах, происходящих в природе.

Он является фундаментальным законом современной физики.

Закон сохранения энергии в применении к тепловым процессам называется первым началом термодинамики.

Первое начало не говорит о направленности термодинамических процессов.

Энтропия

Все механические процессы обратимы. Пусть, например, упругий шарик падает на упругую площадку. Если пренебречь нагреванием шарика и площадки при ударе и сопротивлением воздуха, то вычисления по формулам механики покажут, что после удара шарик поднимется на ту же высоту. Если пренебречь тепловыми потерями при колебании грузика на нитке, то такой маятник будет постоянно возвращаться в исходное состояние.

А вот тепловые процессы необратимы, идут в одном направлении. Повседневный опыт показывает, что в замкнутых системах энергия в форме тепла переходит от более нагретых тел к более холодным. Например, если в ванну с холодной водой положить горячий кусок железа, то вскоре железо охладится, а вода нагреется, и их температура сравняется. Однако обратное не происходит. Никогда не бывает, чтобы в ванне, в которой вода и кусок железа имеют одинаковую температуру, железо вдруг стало нагреваться, а вода охлаждаться.

Необратимые процессы можно описать с помощью понятия вероятности. Пусть в сосуде с теплоизолированными стенками находится одна молекула. Мысленно разделим сосуд на две половинки. Если за ней наблюдать достаточно долго, то окажется, что приблизительно одинаковое время молекула будет находиться в разных половинках сосуда. Иными словами, вероятность нахождения молекулы в одной половинке равна ½. Если наблюдать за двумя молекулами, то вероятность их пребывания в одной из половинок сосуда будет уже ¼. При увеличении числа молекул вероятность их нахождения в какой-либо одной половинке сосуда будет стремительно падать. И действительно, было бы весьма странно, если бы весь воздух собрался в одной половине комнаты, а в другой бы его совсем не было.

Представим себе, что с помощью поршня мы перекачали газ в одну часть цилиндра так, что по другую сторону поршня образовалось безвоздушное пространство. Образовалась асимметрия, определенная упорядоченность. Если переместить поршень так, чтобы газу предоставить максимальный объем, то он весь равномерно распределится по всему объему.

В замкнутой системе все термодинамические процессы идут только в одном направлении: от некоторой упорядоченности к беспорядку, хаосу, к полной симметрии, от менее вероятного состояния к более вероятному.

Мера вероятности состояния термодинамиче­ской системы называется энтропией.

Это понятие в термодинамику в 1865 году ввел Рудольф Клаузиус. По-гречески слово «entropia» означает поворот, превращение.

Второе начало термодинамики

Второе начало термодинамики говорит, в каком направлении протекают термодинамические процессы. Существует несколько эквивалентных его формулировок. Наиболее общая такова.

Второе начало термодинамики. При любых процессах, протекающих в замкнутой макроскопической системе, ее энтропия не убывает.

Если процесс, протекающий в замкну­той системе, необратимый, то энтропия системы возрастает. Иными словами, система переходит из менее вероятного состояния в бо­лее вероятное.

Второе начало термодинамики применимо только к макроскопическим системам, т.е. к таким, которые состоят из огромного количества молекул. Все тела, которые нас окружают в повседневной жизни, являются макроскопическими.