2.12. Второе начало (закон) термодинамики. Термодинамические формулировки

С точки зрения первого начала термодинамики возможно самопроизвольное протекание (без вмешательства извне) процессов передачи тепла от горячего тела к холодному и, наоборот, - от холодного тела к горячему (рис. 2.9,а). Закон сохранения энергии (первое начало термодинамики) не накладывает ограничений на возможность самопроизвольного протекания таких процессов. Однако, известно, что второй процесс (переход тепла от холодного тела к горячему) самопроизвольно в природе не протекает.

Следовательно, возникает необходимость сформулировать закон, который бы определял направление протекания процессов в природе. Этим законом и является второй закон (начало) термодинамики. Его обобщенная формулировка утверждает, что все процессы в природе необратимы, т.е. самопроизвольно (без вмешательства извне) протекают только в одном направлении.

По мере развития термодинамики этот закон (начало), как обобщение опытных фактов, формулировался разными учеными по-разному, но все эти формулировки отражали необратимость протекания процессов в природе.

Приведем некоторые из этих формулировок.

Рис. 2.9

1. Невозможен процесс, единственным результатом которого является переход тепла от холодного тела к горячему (Клаузиус, рис. 2.9,а).

Следующие формулировки (под номерами 2,3,4,5,6) в явном виде устанавливают неэквивалентность двух форм передачи энергии в виде тепла (неупорядоченная форма передачи энергии) и работы (упорядоченная форма), что приводит к необратимости протекания процессов в природе. Их неэквивалентность связана с различием тепловой формы движения материи и упорядоченной формой ее движения. Так, неупорядоченная форма движения материи приводит к диссипации энергии, к невозможности полного перехода ее в упорядоченную форму движения материи - работу.

2. Невозможен процесс, единственным результатом которого является совершение работы за счет охлаждения одного тела (Томсон).

3. Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого является превращение теплоты, полученной от нагревателя, в эквивалентную ей работу.

4. Невозможен вечный двигатель второго рода, т.е. такое устройство, которое превращало бы тепло в работу полностью (Оствальд).

5. Каждый тепловой двигатель должен содержать в своем составе охладитель.

6. Коэффициент полезного действия тепловой машины не может быть равен единице.

На рис. 2.9,в показана блок-схема теплового двигателя (это устройство, превращающее тепловую энергию топлива в механическую работу). Нагреватель сообщает рабочему телу (это пар или газ) количество теплоты , за счет которого рабочее тело совершает работу, а неизрасходованное при этом тепло передает охладителю. При этом коэффициент полезного действия теплового двигателя будет меньше единицы

. (2.44)

Приведем еще одну возможную формулировку второго начала термодинамики.

7. Невозможен процесс самопроизвольного перехода тепловой энергии в другие виды энергии. Приведем пример, подтверждающий эту формулировку. Пусть шарик катится по горизонтальному столу (рис. 2.9,б). С течением времени за счет работы силы трения его механическая энергия (кинетическая энергия) перейдет в тепловую энергию стола и шарика. Обратный процесс самопроизвольно не протекает, т.е. шарик за счет своей внутренней энергии теплового движения не начнет двигаться по столу.