17.3:

17.3: Второй закон термодинамики

Second Law of Thermodynamics

JoVE Core
Chemistry

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

JoVE Core Chemistry

Second Law of Thermodynamics

17.4: Third Law of Thermodynamics

23,928 Views

•

02:49 min

•

September 24, 2020

Overview

В стремлении определить свойство, которое может достоверно предсказать спонтанность процесса, был выявлен перспективный кандидат: Энтропия. Процессы, которые приводят к увеличению энтропии системы (ΔS > 0), очень часто спонтанные; однако примеров противоположного достаточно. При расширении рассмотрения изменений энтропии с учетом окружающей среды может быть достигнут значительный вывод относительно связи между этим свойством и спонтанностью. В термодинамических моделях система и окружение включают все, то есть вселенную, и поэтому верно следующее:

Чтобы проиллюстрировать это отношение, еще раз рассмотрите процесс теплопотока между двумя объектами, один из которых идентифицирован как система, а другой – как окружающая среда. Существует три возможности для такого процесса:

Объекты находятся при разных температурах, и тепло поступает от более жаркого объекта к более прохладному. Это всегда наблюдается спонтанно. Назначение более нагретого объекта в качестве системы и вызов определения энтропии приводит к следующему:

Величины qsys и qsys равны, их противоположные арифметические признаки, обозначающие потерю тепла системой и усиление тепла окружающей средой. Так как в этом сценарии Цys > Цурр, снижение энтропии системы будет меньше, чем возрастания энтропии окружающей среды, и поэтому энтропия Вселенной увеличится:

Объекты находятся при разных температурах, и тепло поступает из охладителя в более горячий объект. Это не наблюдается спонтанно. Повторное назначение объекта с более высокой температурой в качестве системы и вызов определения энтропии приводит к следующему:

арифметические признаки qsys обозначают усиление тепла системой и потерю тепла окружающей средой. Величина изменения энтропии для окружающей среды снова будет больше, чем для системы, но в этом случае признаки изменения тепла (то есть направления теплопотока) дадут отрицательное значение для ΔSuniv. Этот процесс предполагает снижение энтропии вселенной.

Объекты по существу имеют одинаковую температуру, Tsys ≈ Tsurr, и поэтому величины изменений энтропии по существу одинаковы как для системы, так и для окружающей среды. В этом случае изменение энтропии вселенной равно нулю, и система находится в равновесии.

Эти результаты приводят к глубокому утверждению о связи между энтропией и спонтанностью, известной как второй закон термодинамики: Все спонтанные изменения вызывают увеличение энтропии вселенной. Резюме этих трех отношений приводится в таблице ниже.

Второй закон термодинамики
ΔSuniv > 0	спонтанно
ΔSuniv < 0	спонтанный (спонтанный в противоположном направлении)
ΔSuniv = 0	равновесие

Для многих реалистичных приложений окружение огромно по сравнению с системой. В таких случаях тепло, получаемое или теренное окружающей средой в результате какого-либо процесса, представляет собой очень малую, почти бесконечно малую, долю от общей тепловой энергии. Например, сжигание топлива в воздухе включает передачу тепла от системы (молекулы топлива и кислорода, проходящие реакцию) к окружающей среде, которая бесконечно более массивна (атмосфера земли). В результате qsurr является хорошим приближением qsys, и второй закон может быть указан следующим образом:

Это уравнение полезно для прогнозирования спонтанности процесса.

Этот текст адаптирован к Openstax, Химия 2е изд., Глава 16.2: Второй и третий Закон термодинамики.

Transcript

Согласно первому закону термодинамики, изменение энергии в системе равно и противоположно изменению энергии окружающей среды. При добавлении кубика льда в чашку горячего чая, лед тает, а чай становится холоднее. Тепло, полученное кубиком льда, равно теплу, потерянному чаем.

Энергия сохраняется независимо от направления теплопередачи. Однако добавление кубика льда никогда не сделает чай более горячим, потому что количество передаваемого тепла не определяет, в каком направлении течет тепло. Соответствующее изменение энтропии необходимо учитывать, чтобы объяснить направление теплопередачи и других самопроизвольных реакций.

Второй закон термодинамики гласит, что энтропия Вселенной, которая представляет собой полную энтропию как системы, так и окружающей среды, увеличивается для всех самопроизвольных процессов. Это означает, что ΔS Вселенной, разница между энтропией конечного и начального состояний Вселенной, должна быть больше нуля. Поскольку энтропия является мерой рассеивания энергии, процесс, при котором энергия Вселенной более рассредоточена в конечном состоянии, чем в начальном, будет самопроизвольным.

Когда кубик льда тает, молекулы воды переходят из упорядоченного твердого тела в более неупорядоченное жидкое состояние с положительным изменением энтропии системы;когда вода замерзает и превращается в лед, ΔS системы отрицательное. Однако, чтобы эти процессы были самопроизвольными, энтропия Вселенной должна увеличиваться, поэтому разница между тем, являются ли эти процессы самопроизвольными, должна быть в окружающей среде. Когда вода замерзает, она выделяет тепло в окружающую среду, увеличивая рассеивание энергии в окружающей среде.

ΔS окружающей среды должно быть положительным и большим по величине, чем ΔS системы, чтобы ΔS Вселенной было положительным. Чистая вода может замерзнуть только при температуре ниже 0 градусов Цельсия. Это связано с тем, что тепло, передаваемое окружающей среде при низких температурах, приводит к большему изменению энтропии, чем такое же тепло, передаваемое при более высоких температурах.

Величина ΔS окружающей среды прямо пропорциональна теплу, передаваемому системой, и обратно пропорциональна температуре T.Таким образом, для любого процесса, происходящего при постоянных температуре и давлении, ΔS окружающей среды равна теплу, передаваемому в окружающая среда, разделенная на температуру в кельвинах.

Key Terms and definitions

Learning Objectives

Questions that this video will help you answer

This video is also useful for

Tags

Второй закон термодинамики изменение энергии система окружающая среда кубик льда горячий чай теплопередача энтропия спонтанные реакции вселенная полная энтропия конечное состояние начальное состояние рассеивание энергии молекулы воды упорядоченное твердое тело неупорядоченное жидкое состояние