Второй закон термодинамики. Энтропия. (Лекция 3) презентация

Второй закон термодинамики. Энтропия Энтропия: основные определения Изменение энтропии в различных процессах: изохорном изобарном изотермическом адиабатическом Энтропия фазового перехода: правило Трутона

Самопроизвольные процессы Процессы, которые совершаются в системе без вмешательства со стороны окружающей среды называются самопроизвольными. В этих процессах всегда уменьшается внутренняя энергия системы. Энергия передается в окружающую среду в виде теплоты или работы. В самопроизвольном процессе работа превращается в теплоту

Самопроизвольные процессы Рассеяние энергии

Второй закон термодинамики Определение

Несамопроизвольные процессы Процессы, которые не могут совершаться в системе без вмешательства со стороны окружающей среды называются несамопроизвольными. Для этих процессов необходима передача энергии из окружающей среды в виде теплоты или работы

Обратимые процессы Если после протекания процесса систему и окружающую среду можно вернуть в прежнее состояние то процессы называются обратимыми. Пример: расширение газа в сосуде без трения. В условиях трения для перехода в прежнее состояние необходимо затратить работу, которая приведет к изменению энергии окружающей среду и процесс будет необратимым.

Второй закон термодинамики Определение Невозможно проведение процесса, в котором вся теплота поглощенная из окружающей среды полностью превращается в работу (вечный двигатель второго рода). (Оствальд)

Необратимые процессы Если после протекания процесса системы и окружающую среду нельзя вернуть в прежнее состояние без изменений, то такие процессы называются необратимыми. Во всех необратимых процессах происходит превращение работы в теплоту. Во всех необратимых процессах происходит выравнивание термодинамических параметров (Т, Р). Система переходит в состояние равновесия.

Типы процессов

Принцип Каратеодори Для прямого процесса: Q=U + W1 Для обратного процесса: U = W2 Q = (W1 + W2) > 0

Энтропия Энтропия – это функция беспорядка в системе. Во втором законе термодинамики энтропия используется для определения самопроизвольных процессов. Самопроизвольный процесс всегда сопровождается рассеянием энергии в окружающую среду и повышением энтропии.

Зависимость энтропии от теплоты для обратимых процессов

Термодинамическое определение энтропии В результате физического или химического процесса всегда происходит изменение энтропии.

Изменение энтропии в необратимых и обратимых процессах Энтропия является критерием возможности и направленности протекания процессов. Энтропия является критерием состояния термодинамического равновесия. В обратимом (равновесном) процессе: ΔS = 0

Неравенство Клаузиуса Энтропия является критерием самопроизвольного изменения в системе: Для необратимого процесса энтропия окружающей среды: Для любого процесса: Для изолированной системы:

Применение неравенства Клаузиуса Пример 1. Неравновесный адиабатический процесс Для любого типа самопроизвольного процесса энтропия возрастает. Теплота не передается в окружающую среду

Применение неравенства Клаузиуса Пример 2. Необратимый изотермический процесс (Т = const) если газ расширяется самопроизвольно в вакуум:

Применение неравенства Клаузиуса Пример 3. Необратимое охлаждение источник энергии: холодильник: Общее изменение энтропии:

Второй закон термодинамики Определение Невозможно проведение процесса, в котором теплота передается от холодного тела к горячему. Только передача теплоты от горячего тела к холодному может быть единственным результатом самопроизвольного процесса. (Клаузиус)

Расчет энтропии Термодинамическое определение энтропии: Энтропия каждого состояния системы относительно какого-либо выбранного состояния определяется: Энтропия – функция состояния. Поэтому можно рассчитать изменение энтропии между начальным и конечным состоянием системы.

Изменение энтропии в различных процессах с идеальным газом

Изменение энтропии в изотермическом процессе

Изменение энтропии в изохорном процессе

Изменение энтропии в изобарном процессе

Изменение энтропии в адиабатическом процессе

Изменение энтропии при фазовом переходе Процессы: кристаллизация кипение испарение плавление конденсация сублимация возгонка Чему равно изменение энтропии?

Правило Трутона При постоянном давлении: Изменение молярной энтропии: Правило Трутона Экзотермические процессы ( ): - кристаллизация - конденсация - сублимация Эндотермические процессы ( ): - плавление - испарение - возгонка

Второй закон термодинамики Зависимость энтропии от температуры Изменение энтропии при диффузии газов

Зависимость энтропии от температуры

Зависимость энтропии от температуры

Изменение энтропии в сложном процессе

Изменение энтропии при диффузии газов

Второй закон термодинамики Обратимые процессы: цикл Карно Тепловые машины

Энтропия – функция состояния Энтропия не зависит от пути процесса, а зависит от начального и конечного состояния системы. Энтропия кругового процесса (цикла) равна 0.

Цикл Карно 1. Обратимое изотермическое расширение от A до B при Th. ΔS = Qh/Th. Qc 0 2. Обратимое адиабатическое расширение от B до C. ΔS = 0. Th →Tc 3. Обратимое изотермическое сжатие от C до D при Tc. ΔS = Qc/Tc. Qc < 0 4. Обратимое адиабатическое сжатие от D до A. ΔS = 0. Tc →Th

Общее изменение энтропии

Применение цикла Карно Каждый обратимый процесс может быть представлен как несколько циклов Карно.

Коэффициент полезного действия тепловой машины

Теорема Нернста Изменение энтропии при любом физическом или химическом процессе стремится к нулю, если температура стремится к нулю: ΔS → 0 при T → 0.

Третий закон термодинамики Если энтропию каждого элемента в его наиболее стабильном состоянии принять равной нулю при T = 0, тогда каждое вещество обладает положительной энтропией, которая при T = 0 становится равной нулю.

Энтропия химической реакции Стандартная энтропия химической реакции ΔS° - это разность между суммой молярных энтропий продуктов и реагентов в стандартном состоянии (с учетом стехиометрических коэффициентов):

Расчет энтропии

Критерий самопроизвольного процесса В изолированной системе при постоянном объеме и постоянной внутренней энергии энтропия увеличивается если процесс самопроизвольный. Если энтропия и объем системы постоянны, внутренняя энергия уменьшается в самопроизвольном процессе. Если энтропия системы постоянна, то должно быть увеличение энтропии в окружающей среде, которое достигается при уменьшении энергии системы, т.к. энергия системы передается в окружающую среду в виде теплоты.

Критерий самопроизвольного процесса Энтропия системы при постоянном давлении и при постоянной энтальпии увеличивается (при этом не происходит изменения энтропии в окружающей среде) Если энтропия и давление системы постоянны, то энтальпия системы уменьшается (при этом происходит увеличение энтальпии в окружающей среде, которое достигается при увеличении энергии системы, т.к. энергия системы передается из окружающей среды в систему в виде теплоты. )