ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ. ИЗМЕНЕНИЕ ЭНТРОПИИ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СТАЦИОНАРНОГО СОСТОЯНИЯ

Вся наша деятельность – это борьба с энтропией. Процесс этот, безусловно, бесконечный.

Аркадий Волож, руководитель «Яндекса»

АННОТАЦИЯ

Второй закон термодинамики является одним из фундаментальных законов физики, и он имеет большое значение при изучении энергии и энтропии. Закон гласит, что общая энтропия изолированной системы никогда не может уменьшаться с течением времени, а может только оставаться постоянной или увеличиваться. Другими словами, второй закон термодинамики говорит нам, что беспорядок во вселенной всегда увеличивается. Однако этот закон применим не только к изолированным системам, но и к открытым, которые представляют собой системы, способные обмениваться веществом и энергией со своим окружением.

В рамках данной статьи рассматривается, как второй закон термодинамики применим к открытым системам и термодинамическим условиям, необходимым для реализации стационарного состояния, описываются термодинамические условия осуществления стационарного состояния.

Ключевые слова: энтропия, открытая система, стационарное состояние.

Энтропия показывает меру степени беспорядка в системе. Она представлена символом S и определяется как отношение тепловой энергии, передаваемой в систему, к температуре, при которой происходит передача. Математически энтропию можно выразить формулой: S = Q/T, где Q – это тепловая энергия, передаваемая в систему, а T – температура, при которой происходит передача.

Открытая система – это такая система, которая может обмениваться материей и энергией со своим окружением. Примерами открытых систем являются живые организмы, кастрюля с кипящей водой на плите и автомобильный двигатель. В открытой системе второй закон термодинамики говорит нам, что общая энтропия системы и ее окружения может только оставаться постоянной или увеличиваться. Это означает, что по мере обмена веществом и энергией между системой и ее окружением общая энтропия системы и ее окружения всегда будет увеличиваться.

Однако важно отметить, что, хотя общая энтропия открытой системы и ее окружения может увеличиваться, сама система может поддерживать постоянную энтропию. Это известно как стационарное состояние. В стационарном состоянии система находится в состоянии равновесия, при котором скорости всех процессов, происходящих внутри системы, сбалансированы. Другими словами, система не меняется с течением времени, но она по-прежнему обменивается материей и энергией со своим окружением.

Чтобы достичь стационарного состояния, необходимо выполнить определенные термодинамические условия.

1. Одним из этих условий является то, что система должна находиться в состоянии термодинамического равновесия. Это означает, что температура, давление и химический потенциал внутри системы должны быть одинаковыми по всей длине. Если внутри системы существуют градиенты температуры или давления, то система не находится в состоянии термодинамического равновесия и не сможет поддерживать стационарное состояние.

2. Другим условием, необходимым для стационарного состояния, является то, что система должна находиться в стационарном состоянии. Это означает, что скорость поступления энергии и вещества в систему должна быть равна скорости истечения энергии и вещества из системы. Если существует дисбаланс в потоке энергии или вещества, то система не сможет поддерживать стационарное состояние и в конечном итоге будет меняться с течением времени.

3. Наконец, система должна находиться в состоянии обратимых процессов. Это означает, что все процессы, происходящие внутри системы, должны быть обратимыми, а это означает, что они могут выполняться в обратном направлении без каких-либо потерь энергии. Если процессы внутри системы необратимы, то система не сможет поддерживать стационарное состояние и в конечном итоге будет меняться с течением времени.

Концепция стационарного состояния важна в технике и технологиях. Многие промышленные процессы включают открытые системы, которые обмениваются веществом и энергией с окружающей средой. В этих системах часто необходимо достичь устойчивого состояния, чтобы процесс был эффективным и стабильным. Например, химический реактор должен находиться в устойчивом режиме, чтобы гарантировать, что реакция протекает с постоянной скоростью и что продукт имеет желаемое качество. Принципы термодинамики и концепция стационарного состояния имеют важное значение при проектировании и оптимизации этих промышленных процессов.

Подводя итоги, следует отметить, что второй закон термодинамики – это закон, который, который применим как к открытым, так и к изолированным системам. В открытой системе общая энтропия системы и ее окружения может только оставаться постоянной или увеличиваться. Однако сама система может поддерживать постоянную энтропию, достигая стационарного состояния, то есть баланса. Чтобы достичь стационарного состояния, система должна соответствовать определенным термодинамическим условиям, включая нахождение в состоянии термодинамического равновесия, нахождение в состоянии стационарного состояния и наличие обратимых процессов. Эти условия гарантируют, что система находится в состоянии равновесия, при котором скорости всех процессов, происходящих внутри системы, равны.

 Достижение стационарного состояния важно во многих инженерных и промышленных процессах и имеет важное значение для понимания поведения сложных открытых систем.

Список литературы:

1. Основы теплотехники /В.С. Охотин, В.Ф. Жидких, В.М. Лавыгин и др.- М.: Высшая школа, 2004.
2. Поршаков Б.П., Романов Б.А. Основы термодинамики и теплотехники.- М.: Недра, 2008.
3. Теплотехника /под ред. В.И. Крутова.- М.: Машиностроение, 2016
4. Теплоэнергетика и теплотехника. Общие вопросы (справочник).- М.: Энергия, 2010.