II Принцип термодинамике
Први принцип термодинамике утврђује однос између промене унутрашње енергије и извршеног механичког рада, када се телу доведе количина топлоте. На основу овога може да се закључи да рад извршен над неким телом делимично прелази у унутрашњу енергију тела, а делимично се као топлота предаје околини. То значи да се рад може увек претворити у топлоту (тела и околине).
Пример: Камен пада са неке висине.
При удару камена у подлогу, повећава се његова унутрашња енергија. Падање камена се одвија спонтано, сама од себе, при чему се одговарајућа механичка енергија у целини претворила у унутрашњу енергију тела и топлоту подлоге.
По првом принципу термодинамике, ништа се не противи томе да се камен сам од себе подигне на висину са које је пао, тако што ће узети унутрашњу енергију и топлоту коју је предао подлози претворити у механички рад. Међутим то се не дешава.
Значи, први принцип термодинамике не одређује смер у коме ће се вршити неки процес претварања енергије, већ то одређује други принцип термодинамике. Топлота спонтано прелази са тела веће температуре на тело мање температуре.
За претварање унутрашње енергије неког тела у механички рад, потребно је да унутрашња енергија пређе са једног тела на друго, а то ће се вршити ако између тела постоји температурска разлика.
Прелазак унутрашње енергије са тела са вишом температуром на тело са нижом температуром врши се спонтано, док се обратан процес, прелажење унутрашње енергије са тела на нижој температури на тело на вишој температури, не може одвијати спонтано.
Претварање топлоте у механички рад је сложеније и немогуће је остварити процес при коме би се сва доведена топлота могла претворити у механички рад, односно у механичку енергију.
Унутрашња енергија се претвара у механички рад на тај начин што прелази са тела које се налази на вишој температури на тело са нижом температуром. Међутим, не постоји термодинамички процес у којем би једини резултат био претварање топлоте у рад.
Перпетуум мобиле друге врсте није могућ.
Перпетуум мобиле друге врсте би била машина која би сву унутрашњу енергију радног тела и околине могла да претвори у механичку енергију. Помоћу ње би могли да се користе неисцрпни извори енергије у океанима, Земљиној кори или атмосфери.
Да би топлотна машина могла да обавља рад, мора да постоје два резервоара топлоте, грејач (од кога се одузима одређена количина топлоте) и хладњак (коме се предаје количина топлоте). Приликом преласка топлоте са тела више температуре (грејач) на тело ниже температуре (хладњак) врши се рад.
Статистички смисао другог принципа термодинамике
У природи се запажају тенденције изјадначавања разлика температура, притиска, густина… Ове појаве препуштене саме себи дешавају се само у једном смеру. Све ове појаве су последица хаотичног кретања молекула, па се за други принцип термодинамике може дати и друга формулација.
Пример:
Нека се у у кутији налазе – у једном делу беле куглице, а у другом црне. Куглице су одвојене преградом. Ове куглице могу да дочарају молекуле у телима. Уклонимо преграду и омогућимо да куглице могу да се помешају. Поставља се питање са коликом вероватноћом можемо да очекујемо да се куглице саме од себе поново потпуно раздвоје. Одмах се може закључити да је овакав процес невероватан. Напротив, вероватан је процес да ће куглице обе боје бити равномермо распоређене по кутији.
Дакле, када се кутија протресе термодинамички систем куглица тежи да пређе у равнотежно стање. Притом можемо закључити да ће тада систем увек тежити да пређе у неко од измешаних стања, док је прелазак у уређено стање врло невероватно. Ако је број куглица у кутији јако мали – тада ипак постоји реална могућност да се куглице врате у првобитно уређено стање – па ће се то повремено и десити. Међутим, што је број куглица већи то је овакав догађај невероватнији. На крају, ако је број куглица довољно велики да представља термодинамички систем, постојаће и даље вероватноћа поновног уређивања куглица, али тако мала да се реално то никада неће десити.
На сличан начин, постоји извесна мала вероватноћа да се сви молекули ваздуха у једној соби, случајних хаотичним кретањима окупе у једној половини те собе, док би притом у другој половини настао вакуум. Међутим вероватноћа равномерног распореда молекула гаса у соби је много већа, па до оваквих равномерних распореда увек и долази.
Овде се може приметити да су куглице у равнотежном стању када се нађу у измешаном стању, док је неравнотежно стање када се налазе у стању реда. Ово је још један начин за распознавање неравнотежног од равнотежног стања термодинамичког система.
Дакле: неуређено стање у термодинамичком систему представља његово равнотежно стање, док ред представља неравнотежно стање термодинамичког система.
На основу оваквих примера може да се да статистичко тумачење другог принципа термодинамике:
Природни процеси се одвијају спонтано и то прелазећи из мање вероватног стања и више вероватно стање односно прелазак молекула (честица) из уређеног облика кретања у неуређени облик највероватнији у природи.
Обратни процеси су мало вероватни и у природи се спонтано не дешавају.
Потребно је истаћи да наведено разматрање може да се примени само на системе који се састоје из веома великог броја честица. За системе са изузетно великим бројем честица неки процеси су практичо немогући. Шансе постоје, али су веома мале.
Закључак:
Први принцип термодинамике, као закон одржања енергије, важи увек. Други принцип термодинамике не може да се примени на системе са малим бројем честица.
Пошто сваки систем препуштен сам себи прелази у равнотежно стање, закључујемо да је то стање уједно и стање највеће вероватноће.
| Повратни и неповратни порцеси | Ентропија |