Энтропия изолированной термодинамической системы

Изменение энтропии этой изолированной ТС будет равна сумме изменений энтропий тел №1 и №2 т. к. энтропия — величина аддитивная:

,

или ,

где знак минус перед q/T1 означает, что тело №1 отводит теплоту, а знак плюс перед q/T2 означает, что к телу №2 подводится теплота.

Так как Т1>Т2, то , т. е. в результате неравновесного теплообмена энтропия ИТС возрастает.

Для равновесного перехода теплоты от тела №1 к телу №2 необходим посредник – термодинамическое рабочее тело (ТРТ), которое могло бы совершать обратимый цикл Карно, взаимодействуя с телами №1 и №2, как с источником теплоты и холодильником. Тело №3 – аккумулятор работы, который равновесно воспринимает от рабочего тела механическую работу. Тогда , где , , , т. к. совершив цикл, ТС возвращается в исходное состояние, и , т. к. тело №3 не участвует в теплообмене.

Тогда (с учетом знаков, принятых в термодинамике). Для цикла Карно известно, что термический коэффициент полезного действия цикла равен , или , т. е. сумма приведенных теплот цикла Карно равна нулю. Следовательно, изменение энтропии ИТС.

6.3. Энтропия изолированной термодинамической системы

Изолированная ТС – система без обмена энергией и веществом с окружающей средой (, ). Для обратимых равновесных процессов в ИТС энтропия остается неизменной: . Тогда ds=0, , .

Для необратимых, неравновесных процессов в ИТС энтропия всегда возрастает:

, , .

Переход ИТС из одного состояния в другое с помощью неравновесных процессов сопровождается выравниванием параметром в системе и образованием теплоты наинизшей температуры. Количество энергии ИТС остается неизменным, но энергия теряет способность совершать работу, т. е. происходит обесценивание энергии.

Таким образом, энтропия является мерой рассеяния энергии, мерой ее обесценивания. На этом основании Клаузиус выдвинул концепцию «тепловой смерти» Вселенной. Больцман в противовес этой концепции Клаузиуса установил статистическую природу 2-го закона термодинамики, получив связь между энтропией ТС S и термодинамической вероятностью состояния ТС W:

где — постоянная Больцмана; =8,31441Дж/мольК – молярная газовая постоянная; NA=6,02моль-1 – число Авогадро; W – термодинамическая вероятность состояния ТС, определяемая числом микросостояний, реализующих данное макросостояние.

В соответствии с концепцией Больцмана тепловое беспорядочное движение частиц является более вероятным движением, чем организованное, направленное движение частиц – работа. Поэтому организованное движение частиц (работа) и стремится перейти к беспорядочному движению (теплоте). Этим объясняется односторонний характер изменения энтропии в ИТС при переходе из менее вероятного в более вероятное состояние. Проблему же «тепловой смерти» Вселенной в настоящее время нельзя даже ставить, поскольку общая теория относительности (ОТО) и новая релятивистская теория гравитации (РТГ) позволяет сделать вывод, что эволюция Вселенной, которую она испытывает во времени, не представляет собой приближения ее состояния к некоторому равновесному состоянию – состоянию «тепловой смерти».