Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

17.3: Второй закон термодинамики
СОДЕРЖАНИЕ

JoVE Core
Chemistry

A subscription to JoVE is required to view this content.

Education
Second Law of Thermodynamics
 
ТРАНСКРИПТ

17.3: Второй закон термодинамики

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:

Eq1

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:

  1. 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:

Eq2

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:

Eq3

  1. 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:

Eq4

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.

  1. 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.

Eq5

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:

Eq6

Это уравнение полезно для прогнозирования спонтанности процесса.

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

Tags

Second Law Of Thermodynamics Energy Change System Surroundings Ice Cube Hot Tea Heat Transfer Entropy Spontaneous Reactions Universe Total Entropy Final State Initial State Energy Dispersal Water Molecules Ordered Solid Disordered Liquid State

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter