14

Лекция7 Второе начало термодинамики. Энтропия. Тепловой двигатель

4.1. II начало термодинамики

4.2. Обратимые и необратимые процессы

4.3. Круговые процессы. Коэффициент полезного действия тепловой машины.

4.4. Энтропия.

4.5. Примеры вычисления энтропии

4.6. Цикл Карно

4.7. Термодинамическая диаграмма Т – S и её применение

4.1. II начало термодинамики

Для описания термодинамических процессов одного первого начала термодинамики недостаточно. Выражая всеобщий закон сохранения и превращения энергии, первое начало не позволяет определить направление протекания процессов. В самом деле, процесс самопроизвольной передачи теплоты от холодного тела к горячему не противоречит первому закону термодинамики, если только уменьшение внутренней энергии первого тела равно энергии, полученной вторым телом. Однако опыты показывают, что такой процесс не происходит. Например, при опускании раскаленного куска железа в холодную воду никогда не наблюдается дальнейшее нагревание железа за счет соответствующего охлаждения воды.

Первое начало термодинамики

• представляет собой по сути обобщение закона сохранения энергии на тепловые явления.

• устанавливает количественные соотношения между превращениями одних видов энергии в другие.

• запрещает создание вечного двигателя I рода, т.к. при этом нарушается закон сохранения энергии: невозможен PERPETUUM MOBILE первого рода, т.е. такой периодически действующий двигатель, который совершал бы работу в большом количестве, чем получаемая им извне энергия.

В отличие от него второе начало

• определяет условия, при которых возможны эти превращения, а также возможные направления протекания процессов. Оказывается, не все процессы, разрешенные первым началом, возможны.

• исключает возможность создания двигателя второго рода, т.е. такого периодически действующего двигателя, который получал бы тепло от одного резервуара и превращал бы это тепло полностью в работу.

Обобщение огромного экспериментального материала привело к необходимости расширения термодинамики. Было сформулировано второе начало (второй закон) термодинамики, позволившее превратить термодинамический метод исследования физических явлений в один из самых мощных методов, применяемых в физике.

Существует несколько формулировок второго начала.

1. Клаузиус (1850): невозможен самопроизвольный переход тепла от менее к более нагретому телу, или невозможны процессы, единственным конечным результатом которых был бы переход тепла от менее к более нагретому телу.

Тот факт, что, например, в холодильнике совершается переход тепла от холодильной камеры в комнату, не противоречит этому утверждению, поскольку этот процесс не является самопроизвольным: для его осуществления потребляется электрическая энергия.

2. Кельвин (1851): невозможны процессы, единственным конечным результатом которых было бы превращение тепла целиком в работу.

Казалось бы, что этому противоречит, например, процесс изотермического расширения идеального газа, где все полученное газом тепло превращается в работу. Однако это не единственный конечный результат процесса: при этом происходит изменение объема газа.

Заметим, что слово единственный в обеих формулировках является весьма существенным, без него они теряют смысл.

Приведенные формулировки второго начала эквивалентны, из одной неизбежно следует другая. В самом деле, если бы можно было осуществить процесс, запрещенный по Кельвину, то тепло, отнятое от какого-либо тела, можно было полностью превратить в работу, а затем, превратив эту работу целиком в тепло (трением), передать это тепло другому телу с более высокой температурой. В результате мы имели бы процесс, невозможный по Клаузиусу.

Если бы не второе начало, можно было легко решить энергетическую проблему — построить двигатель, который отнимал бы тепло из океанов и целиком превращал его в работу. Подобный двигатель по своим практическим последствиям представлял бы PERPETUUM MOBILE второго рода (в отличие от вечного двигателя — PERPETUUM MOBILE первого рода). При современном потреблении энергии человечеством температура океанов за 1000 лет уменьшилась бы не более чем на один кельвин.

Это позволяет перефразировать формулировку Кельвина так: перпетуум-мобиле 2-го рода невозможен, или невозможно создать тепловой двигатель с КПД η = 1.

Напомним, КПД теплового двигателя η = А/Q,

где Q — сообщенное двигателю тепло, А— произведенная им работа.