Второе начало термодинамики

Для описания термодинамических процессов недостаточно первого начала термодинамики, выражающего закон сохранения энергии, но не определяющего направление протекания процессов в природе.

Исторически второе начало термодинамики было сформулировано при анализе экспериментальных данных о работе тепловых двигателей, т.е. периодически действующих машин, совершающих работу за счет подведенного извне тепла. Французский инженер С. Карно доказал, что для работы теплового двигателя необходимо не менее двух источников теплоты с разными температурами.

Рассмотрим схему теплового двигателя (рисунок 19). От термостата с более высокой температурой T₁ (нагревателя) за цикл отнимается количество теплоты Q₁, а термостату с более низкой температурой T₂ (холодильнику) за цикл передается количество теплоты Q₂. Рабочее тело (газ или пар) при этом совершает работу А. Согласно закону сохранения энергии А=Q₁–Q₂. Эффективность тепловых машин принято характеризовать коэффициентом полезного действияή (КПД)

ή = А / Q₁, = (Q₁– Q₂) / Q₁. (6.3)

Можно показать, что КПД всех обратимых тепловых машин, работающих в идентичных условиях (т.е. при одинаковых температурах нагревателя и холодильника) одинаков и определяется только температурами холодильника и нагревателя (теорема Карно). КПД необратимой машины всегда меньше, чем обратимой, работающей в тех же условиях. Содержание второго закона термодинамики заключается в невозможности существования т.н. вечного двигателя второго рода, т.е. теплового двигателя, работающего с одним источником теплоты

Рисунок 19 – Схема теплового двигателя

Содержание второго закона термодинамики заключается в невозможности существования т.н. вечного двигателя второго рода, т.е. теплового двигателя, работающего с одним источником теплоты. Невозможен периодически действующий двига.тель, который получал бы тепло от одного теплового резервуара и превращал это тепло полностью в работу. Двигатель второго рода, будь он возможен, был бы практически вечным, так как запас энергии в окружающей среде практически неисчерпаем. Так, охлаждение океанов на один кельвин дало бы примерно 10²⁴ Дж теплоты, что эквивалентно 10¹⁴ т каменного угля. Железнодорожный состав, нагруженный этим углем, растянулся бы на расстояние 10¹⁰ км, что совпадает с размерами Солнечной системы.

Приведенная выше формулировка второго закона термодинамики принадлежит Кельвину. Близкую формулировку второго начала термодинамики дал М. Планк: «Невозможно построить периодически действующую машину, единственным результатом которой было бы поднятие груза за счет охлаждения теплового резервуара».

В формулировке Р. Клаузиуса содержание второго начала термодинамики выглядит следующим образом: «Теплота никогда не может переходить сама собой от тел с более низкой температурой к телам с более высокой температурой».

Можно показать, что все варианты второго начала эквивалентны и следуют один из другого.

Легко заметить, что второе начало термодинамики в формулировке Клаузиуса задолго до него интуитивно знала каждая домашняя хозяйка: никому не придет в голову, даже не зная термодинамики, жарить яичницу на холодной плите. Однако в истории науки можно найти немало подтверждений парадоксу: чем очевиднее вывод, тем труднее к нему прийти.

Таким образом, второе начало термодинамики устанавливает наличие в природе фундаментальной асимметрии, т.е. однонаправленности всех самопроизвольных процессов. Количество энергии в замкнутых системах сохраняется, однако распределение энергии меняется необратимым образом.