§ 6. ИЗОПРОЦЕССЫ; АДИАБАТИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС. ЭНТРОПИЯ СИСТЕМЫ. ЗАМКНУТЫЕ (КРУГОВЫЕ) ПРОЦЕССЫ

Среди всевозможных равновесных процессов, происходящих с термодинамическими системами, выделяют так называемые изопроцессы, при которых один из основных параметров состояния (объем, давление, температура) сохраняется постоянным:

1) изохорический процесс, при котором объем системы остается постоянным При изохорическом процессе система не совершает внешней работы, поэтому, согласно формуле (1.13), изменение внутренней энергии системы равно количеству теплоты, полученной илйк отданной системой;

2) изобарический процесс, при котором давление, оказываемое со стороны системы на окружающие тела, остается постоянным При изобарическом процессе внешняя работа рассчитывается по простой формуле (1.18);

3) изотермический процесс, при котором температура системы остается постоянной Если такой процесс происходит с газом, то постоянство температуры означает, согласно формуле (1.11), постоянство внутренней энергии; однако для других систем при

К этим основным процессам добавляется еще и

4) адиабатический процесс, при котором на протяжении всего процесса теплообмен с окружающей средой отсутствует Из первого закона термодинамики следует, что при

адиабатических процессах

т. е. внешняя работа совершается за счет внутренней энергии системы. Если система совершает положительную внешнюю работу, то ее внутренняя энергия уменьшается на эквивалентную величину, и, наоборот, если система совершает отрицательную работу, то ее внутренняя энергия увеличивается (за счет работы внешних сил).

ЭНТРОПИЯ

Адиабатические процессы в термодинамических системах могут быть равновесными и неравновесными. Для характеристики равновесного адиабатического процесса можно ввести некоторую физическую величину, которая оставалась бы постоянной в течение всего процесса; ее назвали энтропией. Условились обозначать энтропию через и определять ее следующим образом: энтропия есть такая функция состояния системы, элементарное изменение которой при равновесном переходе системы из одного состояния в другое равно полученному или отданному количеству теплоты, деленному на температуру, при которой произошел этот процесс, для бесконечно малого изменения состояния системы

При переходе системы из одного равновесного состояния 1 в другое состояние 2 через последовательность промежуточных равновесных же состояний изменение энтропии рассчитывается по формуле

При равновесных адиабатических процессах следовательно, равновесные адиабатические процессы есть изоэнтропические процессы, при которых энтропия не изменяется При других процессах, в частности при изохорических, изобарических и изотермических процессах, энтропия изменяется. Для равновесных изотермических процессов и расчет изменения энтропии дает простой результат:

Во всех случаях, когда система получает извне теплоту, положительно, следовательно, и энтропия системы увеличивается. Если же система отдает теплоту, то имеет отрицательный знак и, следовательно, энтропия системы уменьшается.

Если термодинамическая система переходит из одного состояния в другое через неравновесные промежуточные состояния (например,

при расширении газа в вакуум), то изменение энтропии возможно и при отсутствии теплообмена. Ввиду этого изменение энтропии в общем случае записывается в виде неравенства Клаузиуса:

где знак равенства относится к равновесным процессам. Например, при адиабатических процессах энтропия остается постоянной только в том случае, если этот процесс протекает равновесно; в неравновесных адиабатических процессах энтропия всегда возрастает.

Заметим, что энтропия системы пропорциональна массе (или числу частиц) этой системы. Масса системы представляется в виде суммы масс ее составных частей, поэтому энтропия всей системы будет равна сумме энтропий ее составных частей, т. е. энтропия есть аддитивная величина.

Формулы (1.23) и (1.24) дают возможность рассчитывать только изменения энтропии системы, а не саму энтропию. Однако для термодинамических расчетов этого вполне достаточно; нас почти всегда интересует переход систем из одного состояния в другое, и поэтому в окончательные расчетные формулы входит не абсолютное значение энтропии, а лишь ее изменение в рассматриваемом процессе. То же самое можно сказать и о внутренней энергии системы: точное значение внутренней энергии термодинамических систем с учетом внутриатомной и внутриядерной энергии почти нигде не используется; практическое значение имеют только изменения внутренней энергии при переходе системы из одного состояния в другое.