При любых процессах, протекающих в термодинамических изолированных системах, энтропия либо остается неизменной, либо увеличивается.

Таким образом, энтропия указывает направление самопроизвольно протекающих процессов. Рост энтропии указывает на приближение системы к состоянию термодинамического равновесия. В состоянии равновесия энтропия принимает максимальное значение. Закон возрастания энтропии можно принять в качестве еще одной формулировки второго закона термодинамики.

В 1878 году Л. Больцман дал вероятностную трактовку понятия энтропии. Он предложил рассматривать энтропию как меру статистического беспорядка в замкнутой термодинамической системе. 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: где – 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:

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. В системах, содержащих большое число частиц, значительные отклонения от состояния равновесия имеют чрезвычайно малую вероятность.

МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ:

Установите температуры Т₁ и Т₂, указанные в табл.1 для вашей бригады. Для этого нажмите кнопку «ВЫБОР», переместите маркер мыши так, чтобы его остриё находилось на кнопках регуляторов термометров sили r. Последовательными короткими нажатиями на эти кнопки установите заданные температуры нагревателя и холодильника.

Нажмите мышью кнопку «СТАРТ» и наблюдайте перемещение точки по замкнутой кривой цикла Карно. Остановите процесс нажатием кнопки «СТОП» вблизи точки 1, обозначенной на рис.2, т.е. в месте перехода изотермического расширения газа в адиабатическое.

Запишите в табл.2 значение V₂, которое в момент остановки процесса в точке 1 будет обозначено в нижнем прямоугольнике окна опыта.

Аналогичные измерения проведите для точек 3, 4 и 1 и запишите значения объёмов газа в соответствующие столбцы таблицы 2.

Установите вторые значения температуры нагревателя и холодильника, указанные в табл.1, и проделайте все измерения по п.п. 2- 4 ещё раз. Результаты опытов занесите в табл.3.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЁТА:

1.Для любой произвольной точки цикла запишите значения давления, объёма и температуры, указанные в прямоугольнике окна опыта.

2. С помощью уравнения состояния идеального газа pV= определите число молей газа, находящихся в цилиндре под поршнем.

Используя уравнения: А₁₂ =

А₃₄= .

А = А₁₂ + А₂₃ + А₃₄ + А₄₁= Q₁ + A₂₃ – Q₂ – А₂₃=Q₁ - Q₂.

рассчитайте Q₁, Q₂, A и запишите эти значения в табл.2.

По формуле = . рассчитайте к.п.д. цикла Карно и сравните его со значением, приведённым в окне опыта.

Вычислите среднее значение работы цикла Карно и абсолютную погрешность измерения А.

Таблица 1. Значения температуры нагревателя Т₁ и холодильника Т₂

Таблицы 2, 3. Результаты измерений (количество измерений и строк = 3)

Т₁= Т₂=

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Какие устройства называют тепловыми двигателями?

2. Из каких основных элементов состоит тепловой двигатель?

3. Зачем в тепловом двигателе нужен холодильник?

4. Что является холодильником в двигателе внутреннего сгорания?

5. Чем отличаются обратимые и необратимые процессы? Почему все реальные процессы необратимы?

6. Дайте понятие энтропии (определение, размерность и математические выражения изменения энтропии для различных изопроцессов идеальных газов).

7. В каком направлении может изменяться энтропия замкнутой системы? незамкнутой системы?

8. В чём заключается теорема Карно?

9. Выведите формулу к.п.д. цикла Карно.

10. Изобразите в системе координат T-S изотермический и адиабатический процессы и цикл Карно в целом.

11.Докажите, что к.п.д. теплового двигателя, работающего по произвольному обратимому циклу, всегда меньше, чем к.п.д. цикла Карно, работающего между максимальной и минимальной температурой этого цикла.

литература

1. Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Высшая школа, 2001. Гл.23, §§ 179-180.

2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. М.: Высшая школа, 2000. 543с.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1.5