Обратимые и необратимые процессы в термодинамике: диссипативные системы. Энтропия

Обратимые и необратимые процессы , пути изменения состояния термодинамической системы. Процесс называют обратимым, если он допускает возвращение рассматриваемой системы из конечного состояния в исходное через ту же последовательность промежуточных состояний, что и в прямом процессе, но проходимую в обратном порядке. При этом в исходное состояние возвращается не только система, но и среда. Обратимый процесс возможен, если и в системе, и в окружающей среде он протекает равновесно. При этом предполагается, что равновесие существует между отдельными частями рассматриваемой системы и на границе с окружающей средой. Обратимый процесс - идеализированный случай, достижимый лишь при бесконечно медленном изменении термодинамических параметров. Скорость установления равновесия должна быть больше, чем скорость рассматриваемого процесса. Если невозможно найти способ вернуть и систему, и тела в окружающей среде в исходное состояние, процесс изменения состояния системы называют необратимым.

Необратимые процессы могут протекать самопроизвольно только в одном направлении; таковы , вязкое течение и другое. Для химической реакции применяют понятия термодинамической и кинетической обратимости, которые совпадают только в непосредственной близости к состоянию равновесия. Р-ция А + В С + D наз. кинетически обратимой или двусторонней, если в данных условиях продукты С и D могут реагировать друг с другом с образованием исходных веществ А и В. При этом скорости прямой и обратной реакций, соотв. , где и -константы скорости, [А], [В], [С], [D]- текущие (активности), с течением времени становятся равными и наступает , в котором -константа равновесия, зависящая от температуры. Кинетически необратимыми (односторонними) являются обычно такие реакции, в ходе которых хотя бы один из продуктов удаляется из зоны реакции (выпадает в осадок, улетучивается или выделяется в виде малодиссоциированного соединения), а также реакции, сопровождающиеся выделением большого кол-ва тепла.

На практике нередко встречаются системы, находящиеся в частичном равновесии, т.е. в равновесии по отношению к определенного рода процессам, тогда как в целом система неравновесна. Например, образец закаленной стали обладает пространственной неоднородностью и является системой, неравновесной по отношению к , однако в этом образце могут происходить равновесные циклы механической деформации, поскольку времена диффузии и в отличаются на десятки порядков. Следовательно, процессы с относительно большим временем являются кинетически заторможенными и могут не приниматься во внимание при термодинамич. анализе более быстрых процессов.

Необратимые процессы сопровождаются диссипативными эффектами, сущностью которых является производство (генерирование) в системе в результате протекания рассматриваемого процесса. Простейшее выражение закона диссипации имеет вид:

где средняя температура, d i S- производство энтропии, - т. наз. нескомпенсированная теплота Клаузиуса (теплота диссипации).

Обратимые процессы, будучи идеализированными, не сопровождаются диссипативными эффектами. Микроскопическая теория обратимых и необратимых процессов развивается в статистической термодинамике. Системы, в которых протекают необратимые процессы, изучает термодинамика необратимых процессов.

Лит. см. при ст. Химическая термодинамика. Е. П. Агеее.

Выберите первую букву в названии статьи:

Обратимый и необратимый процесс - это явления, действия, происходящие в той или иной сфере, которые с давних пор изучаются многими специалистами и учеными, а в некоторых теориях даже являются основополагающими.

Термин «рынок природы»

Основной составляющей различных самостоятельно организованных систем выступает необратимость, которая проявляется в самостоятельном развитии систем и их конкретной направленности. Данные действия подразделяются на обратимые и В случае если процесс происходит вследствие хода ступени с первой на следующую, то такое действие называется необратимым. Образцом такого действия выступает самоорганизация - действие развития мира, основанное на принципах «рынка природы».

Участником данного рынка выступает совокупная природа, которая выдумывает новейшие способы действий, способы организации, подобающие равенству систем. Одним из главных свойств рынка можно считать способность сформировать такой круг обратной связи, который определит тяготение к равноправию рынка. С экономической точки зрения понятие рынок - это весьма частичный факт «рынка природы», являющийся, соответственно, естественным средством сравнения разных форм организации общества.

Рынку свойственны разные динамические действия, возникающие в самостоятельно образованных системах. Его можно считать изобретением человечества.

Классификация динамичных действий

Динамичные действия разделяются на 2 вида: эволюционные и волнообразные. К первому относятся действия, которые нельзя повторить, ко второму, соответственно, повторяющиеся действия. Многие фундаментальные науки, в том числе химия и физика, обратимые и необратимые процессы ставят во главу угла.

Эволюционными или необратимыми действиями выступают те существенные изменения, которые даже при отсутствии различных воздействий протекают в последовательном направлении. Например, постоянная тенденция увеличения населения, роста общего объема производства и т. д.

Некоторые динамические, а также термодинамически обратимые и необратимые процессы, действия применяются отнюдь не в сопоставлении со знаменитыми идеографическими и номографическими точками зрения, как может показаться.

Вся структуризация их находится в плоскостях общей теории и не имеет абсолютно ничего общего с идеографией. В идеографической точке зрения отсутствует возможность установления каких-либо закономерностей. Соответственно, в эволюционном действии такая возможность присутствует. Данное действие неповторяемо только тогда, когда оно имеет определенную направленность, не имеет возможности владеть двумя и более звеньями, находящимися в одном и том же состоянии или находящимися на одном и том же уровне.

Однако это не значит, что невозможно найти формулу, проявляющую последовательность хода от одной части к следующей. Так, знаменитая формулировка развертывающегося строя 1, 2, 4, 8, ..., 2n. Но это не означает, что факт этот сам по себе нельзя повторить в указанном месте и времени, и он не повторится, с номографической точки зрения, в другое время и в другом месте, когда наблюдаются обратимые и необратимые процессы. Энтропия как физическое действие в тепловом процессе - яркий тому пример.

Волнообразные процессы

Волнообразные (обратимые, повторимые) действия — это те действия изменений, которые в настоящий отрезок времени обладают конкретным направлением и ежемоментно изменяют его. При обратимости действие, находясь в данное мгновение в одном состоянии и спустя время изменяя его, со временем может вновь вернуться в исходное состояние. К примеру, движения перемены рыночных цен, количества безработных, процентов на капитал и прочие. Конечно, указанные экономические элементы жизни могут меняться в различных направлениях. Рассматривая данные перемены как сплошные, движение данных колебаний можно представить в варианте извилистой линии, направленность которой в разные моменты будет разной. На данной кривой с легкостью можно увидеть, что, отходя от точки, находящейся на одной высоте, через некоторый промежуток времени можно миновать точку, находящуюся на таком же уровне. Однако это будет не та же, а другая точка, стоящая на такой же высоте, что и изначальная. Она, несомненно, будет соответствовать совершенно иному мгновению и иной структуре общих экономических условий в спросе, предложении, производстве, распределении и пр. Чтобы вторая точка вполне совпала с первой, нужно, чтобы все действия колебаний экономической действительности являлись обратимыми, чтобы отсутствовала возможность двигаться вперед или назад, чтобы к ним была неприменима категория времени. Конечно, бесспорно, что таковой совершенной обратимости в экономическом бытие нет, в нем есть всего лишь единичные заведомо необратимые действия.

Все действия взаимосвязаны между собой, поэтому необходимо брать каждый ход по связи с прочими, в том числе необратимыми, так как в каждое мгновение в той или иной связи, несомненно, будет свежая система условий. Необходимо принять, что все движения экономического существования необратимы. В этом случае также необходимо было бы признать, что необратимы и все действия колебаний природы. Следовательно, вышеуказанные замечания позволяют отвергнуть мысль об абсолютной обратимости. На перечисленных же критериях основываются необратимые и обратимые химические процессы, а также действия, происходящие в физике.

Нельзя утверждать, что в действительности те и иные действия протекают независимо и раздельно. Можно признать только их различие по принципам и подчеркнуть разграничение в построении академического исследования. Для того чтобы выделить эту мысль, целесообразно говорить не о безусловно, а о сравнительно обратимых действиях в экономическом существовании. Можно сделать вывод, что в относительном смысле следует рассуждать об обратимых действиях перемен компонентов экономического бытия.

Мысли обратимых и необратимых действий, равно как и мысли динамики и статики, принадлежат естествоведению в узком значении слова. Обратимые и необратимые процессы в физике, примеры которых достаточно многообразны, имеют в этой науке существенное значение. То же касается и химии.

Связь с экономическими компонентами

Обратимый и необратимый процесс связан с экономикой. Существуют мнения о правильности переноса этих идей к экономическим. А есть мнения, что переносятся лишь термины и понятия.

Перенесение мыслей из одной науки в другую правомерно, если оно научно плодотворно, следовательно, иной выход для решения данной задачи отсутствует. Факты такого перенесения имеют место. Особенно много случаев перенесения идей из сферы общественного существования и социологии в сферу природных наук. Так, некоторые идеи и термины - сила, закон, ценность, принцип экономии - были научно плодотворны. Поэтому нельзя возражать против их правомерности. Во время Милля в экономике шли на заимствование идей динамики и статики, только возникает вопрос: «Отчего невозможно было бы увеличить круг употребления мыслей обратимых и необратимых действий?»

Приобретение определений из иных наук практически постоянно сопровождается их углублением или уточнением, а также кардинальным изменением. В этом случае передвинуты определения и точки зрения, увеличивая их, но при этом не лишая общего смысла.

Согласно вышеизложенному, невозможно говорить о полностью обратимых действиях в природе и в экономическом существовании. Здесь идет речь лишь о сравнительно обратимых действиях. Обратимый ход в чистом облике, в условном смысле, практически дан только в большем или в меньшем уровне приближения. С идеей, на которую опираются обратимые и необратимые процессы, циклы, соединено представление о вероятности или неосуществимости возобновления бывшего состояния элементов и тел или их системы. Вся разница в обоих случаях сводится к следующему. Обратимые и необратимые процессы в химии и физике имеют деяние со средством одного и того же субъекта в предметном смысле, в экономике этого нет. Когда утверждают, что качание маятника является действием обратимым, то в таком случае речь идет об одном и том же в предметном значении маятнике, однако это и не совсем правильно. Такого равенства нет в экономике.

Тезис «обратимый и необратимый процесс» в экономике необходимо рассматривать как единичный случай общего понятия.

Склонности

Когда мы рассматриваем экономическую действительность рыночного капиталистического общества и ее компоненты, у нас возникает закономерный вопрос: к каким из указанных действий изменений какие ее компоненты склонны? Практически все экономические элементы, взятые как отдельно, так и целиком, подвержены количественным и качественным переменам. Но в то время как для одних элементов, например для организации хозяйства, техники производства, потребностей и др., качественные изменения будут иметь столь же большое значение, как и количественные, для других элементов, таких как цена, учетный процент, рента и т. д., основное значение будут иметь количественные изменения. Значение качественных изменений здесь выступает преимущественно лишь тогда, когда меняется сама природа этих элементов, например, когда цена из вольной становится установленной или из рыночной — монопольной.

Выясняя впоследствии взаимоотношение экономических компонентов, их совокупности и обратимые и необратимые процессы, круговой процесс, цикл, необходимо иметь в виду следующее. Взятая целиком экономическая действительность представляет собой как бы целый поток многообразных и непрерывных количественных и качественных перемен.

Процессы в народном хозяйстве

В целостном представлении ход экономического становления видится необратимым исходя из того, что в нем присутствуют какие-либо компоненты, описывающие кривую необратимого течения изменения, по этой причине разрешено аргументировать, что ход развития народного хозяйства, протекающий во времени, не бывает намного более одного раза на одной и той же ступени.

В целом действие народного хозяйства представляется необратимым действием хода с одной ступени на другую. И потому дилемма перемен народного хозяйства — это прежде всего дилемма стадий его развития. Итак, движение развития народного хозяйства считается необратимым, отсюда следует, что без перерыва и без возврата изменяются совместные народнохозяйственные условия для хода перемен и всякого единичного компонента народного хозяйства. В абсолютном смысле ни один народно-хозяйственный элемент, анализируемый по связи со всем комплексом хозяйственных критериев, не может раскрывать обратимого хода.

Без труда можно увидеть и осознать, что простые действия конфигураций экономической сферы существенно отличаются, и что целесообразно разбить элементы хотя бы на несколько групп. Рассматриваемые аналитически в отдельности, элементы не могут быть определены к числу способных только к необратимым изменениям. Значительная совокупность экономических составляющих, прежде всего ценностных, к примеру заработная плата, товарные цены, и натуральных, таких как количество банкротств, процент безработных, обнаруживают обратимые действия конфигураций.

Разграничение процессов

Обратимые и необратимые процессы, примеры которых легко найти в экономике, неоднозначны. Конфигурации таких элементов, как размеры производства, количество населения, уровень потребностей, техники, размера товарооборота, резервы капиталов и т. д., состоят из нескольких компонентов, имеют сложное строение. Один компонент — это их общий рост, другой — темп роста. Рассматривая имеющийся фактический материал, по сути дела, можно отметить, что наклонность совместного увеличения и становления их предполагает собой необратимое движение, которое может прекратиться только под влиянием форс-мажора. С другой стороны, темп этого роста представляет собой зигзаг и наглядно является обратимым действием.

Отличие природных перемен самостоятельных составляющих хозяйственной жизни очевидно и бесспорно, и в то же время только при учете можно осознать вид динамики финансовой жизни. Присутствие составляющих, которые подвержены необратимым тенденциям, объясняет причины неповторимости народнохозяйственного движения и дает ленту непрерывного развития. Также установление элементов и их компонентов, подверженных обратимым волнообразным изменениям, дает шанс понять качания, которым подвержено общенародное хозяйство в целом и действия его развития. В конкретном виде народно-хозяйственное действие развития, естественно, едино. Однако отказ от разграничения элементарных действий классификации и изменения компонентов в связи с их связью к этим действиям означал бы, соответственно, и отказ от научного исследования определенной действительности. Указанное подтверждает термодинамически обратимые и необратимые процессы, случающиеся в природе.

Специфика развития систем

Значимой чертой развития произвольной системы считается необратимость, проявляющаяся в определенной направленности ее перемен. Эти изменения подразумевают учет обстоятельства времени в соответственной теории. Формулы могут применяться для отображения действий, случающихся как в настоящий момент времени, так и в будущий, и в прошлый.

Д. С. Милль сформулировал представление о статике и динамике действий в явном виде. Оно базировалось и указывало на обратимые и необратимые процессы, круговой процесс. Неповторимость или необратимость означает только нереальность конфигурации направленности действий в конкретный отрезок времени, что типично для обратимых действий.

Затруднительность определенной экономической действительности принуждает упрощать ее, отрываться от большинства ее связей и особенностей. С данной точки зрения, каждая экономическая концепция предоставляет только условно верное отражение соответствующей части экономической действительности.

В качестве базы анализа экономического развития обязана быть взята именно целая система формирования финансовой деятельности сообщества. Но интегративная общая теория может быть выстроена только на основе проведения исследования развития раздельных конкретных исторических видов организации экономической деятельности.

Равновесие систем

Обратимый и необратимый процесс с экономической точки зрения рассматривали многое ученые. развил идею, что равновесие на рынке сводится к взаимному приспособлению персональных планов и исполняется по типу, какой бы следом за естественными науками стали нарекать «отрицательной обратной связью».

Дефиниция применима к сложным экономическим действиям, какие Н. Кондратьев именует обратимыми. Колыхания в экономике, включающие периодические изменения, это стоимости, проценты, заработная плата, на протяжении многих лет носят повторяющийся характер. Колебания подразделяются на длинные, средние и краткосрочные.

Принцип отрицательной обратной связи показывает только, как поддерживается неожиданно появляющийся режим в системе, но не позволяет обнаружить конструкцию происхождения установленного порядка, а также перехода от одной ступени развития к другой. Для этих целей необходимо устремиться к принципу В нем передовые изменения, образующиеся в системе, усиливаются и накапливаются. Неважно какая теория подвержена неожиданным уклонам от баланса, но, если она находится в изменчивом состоянии, из-за взаимодействия с окружающей средой эти покачивания обостряются и в итоге приводят к разгону минувшего распорядка и устройства. С другой стороны, в итоге взаимодействия компоненты старой системы приходят к слаженному поведению, благодаря чему в системе появляются совместные действия и формируются новый порядок и свежее соотношение.

Возникновение совокупных действий, как и образование и прогресс новых структур, связано с фактами случайности, каковые последовательно приводят к зыбкости системы.

Рынок — это открытая система, в которой происходит беспрерывное взаимодействие между покупателями и потребителями, продавцами и производителями. На рынке царит как случайный, так и спонтанный порядок. Так, при закупке и реализации продуктов всякий индивид непринужденно руководствуется сперва полезностью и необходимостью, а не их стоимостью. В действиях рыночных отношений две стороны приходят к общему выходу, а это впоследствии приводит к появлению неожиданного порядка, проявляющегося в балансе между спросом и предложением.

Заключительный аккорд

Итак, все движения самостоятельной организации имеют определенную направленность, что фактически является их важной чертой, в том числе и рынок в экономическом смысле. Первым изучал данные вопросы Д., который дал определение обратимых и необратимых действий в экономике. Целесообразно продолжать изучать эти действия, в том числе обратимые и необратимые процессы в природе. В химии и физике это направление, как уже упоминалось, считается фундаментальным, определяя, например, такие действия, как тепловые процессы. Обратимы, необратимы ли действия и процессы, происходящие в той или иной сфере жизни, считается немаловажным фактором, который необходимо знать.

Первый закон термодинамики – закон сохранения энергии для тепловых процессов – устанавливает связь между количеством теплоты Q, полученной системой, изменением ΔU ее внутренней энергии и работой A, совершенной над внешними телами:

Количество теплоты, сообщенное системе, идёт на изменение её внутренней энергии и на совершение работы протии внешних сил.

Процессы, нарушающие первый закон термодинамики, никогда не наблюдались. Однако, этот закон не дает никаких сведений о том, в каком направлении развиваются процессы, удовлетворяющие принципу сохранения энергии.

Различают обратимые и необратимые термодинамические процессы.

Обратимым термодинамическим процессом называется процесс, допускающий возможность возвращения системы в первоначальное состояние без того, чтобы в окружающей среде остались какие-либо изменения.

При осуществлении обратимого процесса система переходит из одного равновесного состояния в другое. Процессы, в ходе которых система все время остается в состоянии равновесия, называются квазистатическими. Все квазистатические процессы обратимы. Все обратимые процессы являются квазистатическими.

Если рабочее тело тепловой машины приводится в контакт с тепловым резервуаром, температура которого в процессе теплообмена остается неизменной, то единственным обратимым процессом будет изотермический квазистатический процесс, протекающий при бесконечно малой разнице температур рабочего тела и резервуара. При наличии двух тепловых резервуаров с разными температурами обратимым путем можно провести процессы на двух изотермических участках. Поскольку адиабатический процесс также можно проводить в обоих направлениях (адиабатическое сжатие и адиабатическое расширение), то круговой процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат (цикл Карно ) является единственным обратимым круговым процессом, при котором рабочее тело приводится в тепловой контакт только с двумя тепловыми резервуарами.

Первый закон термодинамики не устанавливает направление тепловых процессов. Однако, как показывает опыт, многие тепловые процессы могут протекать только в одном направлении. Такие процессы называются необратимыми.

Необратимым термодинамическим процессом называется процесс, не допускающий возможности возвращения системы в первоначальное состояние без того, чтобы в окружающей среде остались какие-либо изменения. Такой процесс в прямом направлении протекает самопроизвольно, а для осуществления его в обратном направлении так, чтобы система вернулась в первоначальное состояние, требуется компенсирующий процесс во внешних телах, в результате которого состояние этих тел оказывается отличным от первоначальных.

Например, при тепловом контакте двух тел с разными температурами тепловой поток всегда направлен от более теплого тела к более холодному. Никогда не наблюдается самопроизвольный процесс передачи тепла от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой. Следовательно, процесс теплообмена при конечной разности температур является необратимым.

Все остальные круговые процессы, проводимые с двумя тепловыми резервуарами, необратимы. Необратимыми являются процессы превращения механической работы во внутреннюю энергию тела из-за наличия трения, процессы диффузии в газах и жидкостях, процессы перемешивания газа при наличии начальной разности давлений и т. д.

Все реальные процессы необратимы , но они могут сколь угодно близко приближаться к обратимым процессам. Обратимые процессы являются идеализацией реальных процессов.

Односторонняя направленность макроскопических процессов психологически воспринимается как однонаправленность времени.

Второй закон термодинамики

Опыт показывает, что разные виды энергии неравноценны в отношении способности превращаться в другие виды энергии. Механическую энергию можно целиком превратить во внутреннюю энергию любого тела. Для обратных превращений внутренней энергии в другие виды энергии существуют определенные ограничения: запас внутренней энергии ни при каких условиях не может превратиться целиком в другие виды энергии. С отмеченными особенностями энергетических превращений связано протекание процессов в природе.

Второй закон термодинамики связан непосредственно с необратимостью реальных тепловых процессов. Энергия теплового движения молекул качественно отличается от всех других видов энергии – механической, электрической, химической и т. д. Энергия любого вида, кроме энергии теплового движения молекул, может полностью превратиться в любой другой вид энергии, в том числе и в энергию теплового движения. Последняя может испытать превращение в любой другой вид энергии лишь частично. Поэтому любой физический процесс, в котором происходит превращение какого-либо вида энергии в энергию теплового движения молекул, является необратимым процессом, то есть он не может быть осуществлен полностью в обратном направлении. Общим свойством всех необратимых процессов является то, что они протекают в термодинамически неравновесной системе и в результате этих процессов замкнутая система приближается к состоянию термодинамического равновесия.

Направление самопроизвольно протекающих процессов устанавливает второй закон (начало) термодинамики. Он может быть сформулирован в виде запрета на определенные виды термодинамических процессов.

Этот закон представляет собой результат обобщения огромного числа опытных данных.

Формулировки второго начала термодинамики:

1) по Карно: наибольший КПД тепловой машины не зависит от рода рабочего тела и вполне определяется предельными температурами, между которыми машина работает.

2) по Клаузиусу: невозможен процесс единственным результатом1 которого является передача энергии в форме теплоты от тела, менее нагретого, к телу, более нагретому.

Второе начало термодинамики не запрещает переход теплоты от менее нагретого тела к более нагретому, такой переход осуществляется в холодильной машине, но при этом внешние силы совершают работу над системой, т.е. этот переход не является единственным результатом процесса.

3) по Кельвину: невозможен круговой процесс, единственным результатом которого является превращение теплоты, полученной от нагревателя, в эквивалентную ей работу.

На первый взгляд может показаться, что такой формулировке противоречит процесс изотермического расширения идеального газа. Действительно, все полученное идеальным газом от какого-то тела тепло превращается полностью в работу. Однако получение тепла и превращение его в работу не единственный конечный результат процесса; кроме того, в результате процесса происходит изменение объема газа.

4) по Оствальду: осуществление вечного двигателя второго рода невозможно.

Вечным двигателем второго рода называется периодически действующее устройство, которое совершает работу только за счет охлаждения одного источника теплоты.

Примером такого двигателя мог бы служить судовой двигатель, получающий тепло из моря и использующий его для движения судна. Такой двигатель был бы практически вечным, т.к. запас энергии в окружающей среде практически безграничен.

Все формулировки второго закона термодинамики эквивалентны.

Эквивалентность этих формулировок легко показать. В самом деле, допустим, что постулат Клаузиуса неверен, то есть существует процесс, единственным результатом которого была бы передача тепла от более холодного тела к более горячему. Тогда возьмем два тела с различной температурой (нагреватель и холодильник) и проведем несколько циклов тепловой машины, забрав тепло у нагревателя, отдав холодильнику и совершив при этом работу . После этого воспользуемся процессом Клаузиуса и вернем тепло от холодильника нагревателю. В результате получается, что мы совершили работу только за счет отъёма теплоты от нагревателя, то есть постулат Томсона тоже неверен.

С другой стороны, предположим, что неверен постулат Томсона. Тогда можно отнять часть тепла у более холодного тела и превратить в механическую работу. Эту работу можно превратить в тепло, например, с помощью трения, нагрев более горячее тело. Значит, из неверности постулата Томсона следует неверность постулата Клаузиуса. Таким образом, постулаты Клаузиуса и Томсона эквивалентны.

Второе начало термодинамики является постулатом, не доказываемым в рамках термодинамики. Оно было создано на основе обобщения опытных фактов и получило многочисленные экспериментальные подтверждения.

С точки зрения статистической физики второе начало термодинамики имеет статистический характер: оно справедливо для наиболее вероятного поведения системы. Существование флуктуаций препятствует точному его выполнению, однако вероятность сколь-нибудь значительного нарушения крайне мала.

Энтропия

Энтропия (от греч. entropía - поворот, превращение), понятие, впервые введенное в термодинамику Р. Клаузиусом (1865) для определения меры необратимого рассеяния энергии, позволило строго математически сформулировать второй закон термодинамики. Энтропию можно определить с помощью двух эквивалентных подходов – статистического и термодинамического.

Термодинамический подход

Энтропия, функция состояния S термодинамической системы2, изменение которой dS для бесконечно малого обратимого изменения состояния системы равно отношению количества теплоты полученного системой в этом процессе (или отнятого от системы), к абсолютной температуре Т:

Где dS – приращение энтропии; δQ 3 – минимальная теплота, подведенная к системе; T – абсолютная температура процесса.

Величина dS является полным дифференциалом, т.е. ее интегрирование по любому произвольно выбранному пути дает разность между значениями энтропии в начальном (А) и конечном (В) состояниях:

. (2)

Теплота не является функцией состояния, поэтому интеграл от δQ зависит от выбранного пути перехода между состояниями А и В .

Энтропия измеряется в Дж/(моль·К).

Выражения (1) и (2) справедливы только для обратимых процессов.

Для необратимых процессов выполняется неравенство:

, (3)

из которого следует возрастания энтропии в этих процессах.

Свойства энтропии:

1. Энтропия - величина аддитивная, т.е. энтропия системы из нескольких тел является суммой энтропий каждого тела: S = ∑S i .

2. В равновесных процессах без передачи тепла энтропия не меняется. Поэтому равновесные адиабатические процессы (δQ = 0) называется изоэнтропийным.

3. Энтропия определяется только с точностью до произвольной постоянной.

Действительно, согласно формуле (2) измеренной является лишь разность энтропий в двух состояниях.

Абсолютное значение энтропии можно установить с помощью третьего начала термодинамики (теоремы Нернста): энтропия любого тела стремится к нулю при стремлении к абсолютному нулю его температуры: lim S = 0 при Т → 0К.

Т.о., за начальную точку отсчета энтропии принимают

S 0 = 0 при Т → 0 К.

Энтропия – функция, устанавливающая связь между макро- и микро- состояниями; единственная функция в физике, которая показывает направленность процессов.

Энтропия – в естественных науках мера беспорядка системы, состоящей из многих элементов. В частности, в статистической физике – мера вероятности осуществления какого-либо макроскопического состояния; в теории информации – мера неопределённости какого-либо опыта (испытания), который может иметь разные исходы, а значит, и количество информации; в исторической науке, для экспликации феномена альтернативности истории (инвариантности и вариативности исторического процесса). Энтропия в информатике – степень неполноты, неопределённости знаний.

Понятие энтропии как показал впервые Э. Шрёдингер (1944), существенно и для понимания явлений жизни. Живой организм с точки зрения протекающих в нём физико-химических процессов можно рассматривать как сложную открытую систему, находящуюся в неравновесном, но стационарном состоянии. Для организмов характерна сбалансированность процессов, ведущих к росту энтропии и процессов обмена, уменьшающих её. Однако жизнь не сводится к простой совокупности физико-химических процессов, ей свойственны сложные процессы саморегулирования. Поэтому с помощью понятия энтропии нельзя охарактеризовать жизнедеятельность организмов в целом.

Закон возрастания энтропии

Рис.2.
Необратимый круговой термодинамический процесс

Применим неравенство (3) для описания необратимого кругового термодинамического процесса, изображенного на рис 2.

Пусть процесс будет необратимым, а процесс - обратимым. Тогда неравенство (3) для этого случая примет вид:

Так как процесс является обратимым, для него можно воспользоваться соотношением (2), которое дает:

(5)

Подстановка этой формулы в неравенство (4) позволяет получить выражение:

(6)

Сравнение выражений (2) и (6) позволяет записать следующее неравенство:

(7)

в котором знак равенства имеет место в случае, если процесс является обратимым, а знак больше, если процесс – необратимый.

Неравенство (7) может быть также записано и в дифференциальной форме:

Если рассмотреть адиабатически изолированную термодинамическую систему, для которой , то выражение (8) примет вид: ΔS = S 2 – S 1 ≥ 0

или в интегральной форме:

/dS ≥ 0 (9)

Из формулы (9) следует: S 2 ≥ S 1 .

Полученные неравенства выражают собой закон возрастания энтропии , который можно сформулировать следующим образом:

В адиабатически изолированной термодинамической системе энтропия не может убывать: она или сохраняется, если в системе происходят только обратимые процессы, или возрастает, если в системе протекает хотя бы один необратимый процесс.

Записанное утверждение является ещё одной формулировкой второго начала термодинамики.

Таким образом, изолированная термодинамическая система стремится к максимальному значению энтропии, при котором наступает состояние термодинамического равновесия.

Термодинамическому равновесию адиабатической системы соответствует состояние с максимумом энтропии. Энтропия может иметь не один, а несколько максимумов, при этом система будет иметь несколько состояний равновесия. Равновесие, которому соответствует наибольший максимум энтропии называется абсолютно устойчивым (стабильным). Из условия максимальности энтропии адиабатические системы в состоянии равновесия вытекает важное следствие: температура всех частей системы в состоянии равновесия одинакова.

Рост энтропии является общим свойством всех самопроизвольно протекающих необратимых процессов в изолированных термодинамических системах. В состоянии равновесия энтропия принимает максимальное значение. В состоянии с максимальной энтропией макроскопические необратимые процессы невозможны.

При обратимых процессах в изолированных системах энтропия не изменяется.

Необходимо отметить, что если система не является изолированной, то в ней возможно уменьшение энтропии. Примером такой системы может служить, например, обычный холодильник, внутри которого возможно уменьшение энтропии. Но для таких открытых систем это локальное понижение энтропии всегда компенсируется возрастанием энтропии в окружающей среде, которое превосходит локальное ее уменьшение.

Статистический подход

В 1878 году Л. Больцман дал вероятностную трактовку понятия энтропии. Он предложил рассматривать энтропию как меру статистического беспорядка в замкнутой термодинамической системе. При этом Л. Больцман исходил из общего положения: природа стремится от состояний менее вероятных к состояниям более вероятным.

Все самопроизвольно протекающие процессы в замкнутой системе, приближающие систему к состоянию равновесия и сопровождающиеся ростом энтропии, направлены в сторону увеличения вероятности состояния. Всякое состояние макроскопической системы, содержащей большое число частиц, может быть реализовано многими способами.

Термодинамическая вероятность W состояния системы – это число способов, которыми может быть реализовано данное состояние макроскопической системы, или число микросостояний, осуществляющих данное макросостояние.

По определению термодинамическая вероятность W >> 1.

Например, если в сосуде находится 1 моль газа, то возможно огромное число N способов размещения молекулы по двум половинкам сосуда: N = 2 N A где N A – число Авогадро .

Каждый из них является микросостоянием. Только одно из микросостояний соответствует случаю, когда все молекулы соберутся в одной половинке (например, правой) сосуда. Вероятность такого события практически равна нулю. Наибольшее число микросостояний соответствует равновесному состоянию, при котором молекулы равномерно распределены по всему объему. Поэтому равновесное состояние является наиболее вероятным. Равновесное состояние с другой стороны является состоянием наибольшего беспорядка в термодинамической системе и состоянием с максимальной энтропией.

Согласно Больцману, энтропия S системы и термодинамическая вероятность W связаны между собой следующим образом:

S = k lnW,

где k = 1,38·10 –23 Дж/К – постоянная Больцмана .

Таким образом, энтропия определяется логарифмом числа микросостояний, с помощью которых может быть реализовано данное макросостояние. Следовательно, энтропия может рассматриваться как мера вероятности состояния термодинамической системы.

Вероятностная трактовка второго закона термодинамики допускает самопроизвольное отклонение системы от состояния термодинамического равновесия. Такие отклонения называются флуктуациями 4. В системах, содержащих большое число частиц, значительные отклонения от состояния равновесия имеют чрезвычайно малую вероятность. Наличие флуктуаций показывает, что закон возрастания энтропии выполняется только статистически: в среднем для большого промежутка времени.

ОБРАТИМЫЙ ПРОЦЕСС

ОБРАТИМЫЙ ПРОЦЕСС

В термодинамике, процесс перехода термодинамич. системы из одного в другое, допускающий возможность возвращения её в первонач. состояние через ту же последовательность промежуточных состояний, что и в прямом процессе, но проходимых в обратном порядке.

Процесс обратим, если он протекает столь медленно, что его можно рассматривать как непрерывный ряд равновесных состояний, т. е. О. п. должен быть медленным по сравнению с процессами установления равновесия термодинамического в данной системе. Точнее, О. п. характеризуется бесконечно медленным изменением термодинамич. параметров (плотности, давления, темп-ры и др.), определяющих равновесие системы. Такие наз. также квазистатическими, или квазиравновесными. Обратимость квазиравновесного процесса следует из того, что его любое есть состояние термодинамич. равновесия, и поэтому оно не чувствительно к тому, идёт ли процесс в прямом или обратном направлении. О. п. - одно из основных понятий равновесной макроскопической термодинамики. В её рамках I и II начала термодинамики формулируются для О. п.

Реальные процессы в природе протекают с конечной скоростью и сопровождаются рассеянием энергии (из-за трения, теплопроводности и т. п.), поэтому они явл. необратимыми процессами. О. п. есть идеализация процессов природы, протекающих столь медленно, что необратимыми явлениями для них можно пренебречь. Микроскопич. теория О. п. рассматривается в статистической физике.

Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия . . 1983 .

ОБРАТИМЫЙ ПРОЦЕСС втермодинамике - процесс перехода термодинамич. системы из одного состоянияв другое, к-рый может протекать как в прямом, так и в обратном направлениичерез те же промежуточные состояния. О. п. должен протекать столь медленно, Обратимость квазиравновесного процессаследует из того, что любое промежуточное состояние есть состояние термодинамич. О. п. - одно из осн. понятий равновесноймакро-скопич. термодинамики. Действительно, первое начало термодинамики формулируется для О. п. в виде равенства между бесконечно малым приращением энергии du и суммой подведённоготепла иэлементарной работы совершаемой над системой при квазистатич. процессе, а второе началотермодинамики - в виде равенства между дифференциалом энтропии dS и отношением к темп-ре Т в абс. шкале, что справедливо для О. п. Для необратимогопроцесса второе начало формулируется в виде неравенства ограничивающего возможные направления процесса.
Все процессы в природе протекают с конечнойскоростью и сопровождаются явлениями трения или теплопроводности, поэтомуони необратимы. О. п. - идеализация реальных процессов, протекающих такмедленно, что необратимыми явлениями можно пренебречь. Иногда быстрые процессыможно рассматривать приближённо как квазиравновесные, если равновесие успеваетустановиться не во всей системе, а в её малых элементах объёма, и производствомэнтропии можно пренебречь (напр., распространение звука в приближенииидеальной гидродинамики).
Микроскопич. теорию О. п. изучают в статистическойфизике, где рассматривают малые квазистатич. возмущения распределенияГиббса при медленном изменении внеш. параметров.

Лит. см. при ст. Термодинамика.

Д. Н. Зубарев

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

Смотреть что такое "ОБРАТИМЫЙ ПРОЦЕСС" в других словарях:

В термодинамике процесс, который возможно осуществить в обратном направлении, последовательно повторяя в обратном порядке все промежуточные состояния прямого процесса. Обратимым процессом может быть только равновесный процесс. Реальные процессы,… … Большой Энциклопедический словарь

ОБРАТИМЫЙ ПРОЦЕСС, всякий процесс, который может при определенных условиях протекать в обратном направлении, т.е. так, что параметры, определяющие систему, изменяются в обратном порядке относительно их первоначальных значений. Если при прямом… … Научно-технический энциклопедический словарь

обратимый процесс - Термодинамический процесс, после которого система и взаимодействующие с ней системы (окружающая среда) могут возвратиться в начальное состояние без того, чтобы в системе и окружающей среде возникали какие либо остаточные изменения. [Сборник… … Справочник технического переводчика

обратимый процесс - – процесс, протекающий в данных условиях равновесно в прямом и обратном направлении. Общая химия: учебник / А. В. Жолнин … Химические термины

Эта статья слишком короткая. Пожалуйста … Википедия

В термодинамике, процесс, который возможно осуществить в обратном направлении, последовательно повторяя в обратном порядке все промежуточные состояния прямого процесса. Обратимый процесс может быть только равновесный процесс. Реальные процессы,… … Энциклопедический словарь

обратимый процесс - процесс перехода термодинамической системы из одного состояния в другое, допускающее возможность возвращения ее в первоначальное состояние через ту же последовательность промежуточных состояний, но в обратном порядке.… … Энциклопедический словарь по металлургии

обратимый процесс - Термодинамический процесс, после которого система и взаимодействующие с ней системы (окружающая среда) могут возвратиться в начальное состояние без того, чтобы в системе и окружающей среде возникали какие либо остаточные изменения. обратимый… … Политехнический терминологический толковый словарь

обратимый процесс - grįžtamasis vyksmas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Sistemos būsenos kitimas, kuris gali vykti įprastine ir atvirkštine tvarka, nekeisdamas aplinkos. atitikmenys: angl. reversible process vok. reversibler Prozess, m;… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

обратимый процесс - grįžtamasis procesas statusas T sritis chemija apibrėžtis Sistemos būsenos kitimas, kuris gali vykti įprastine ir atvirkštine tvarka, nekeisdamas aplinkos. atitikmenys: angl. reversible process rus. обратимый процесс … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas