§ 6.8. Второе начало термодинамики

Второе начало термодинамики — физический принцип, накладывающий ограничение на направление процессов передачи тепла между телами.

Второе начало термодинамики гласит, что невозможен самопроизвольный переход тепла от тела, менее нагретого, к телу, более нагретому.

Второе начало термодинамики запрещает так называемые вечные двигатели второго рода, показывая что коэффициент полезного действия не может равняться единице, поскольку для кругового процесса температура холодильника не может равняться абсолютному нулю.

Второе начало термодинамики является постулатом, не доказываемым в рамках термодинамики. Оно было создано на основе обобщения опытных фактов и получило многочисленные экспериментальные подтверждения.

Существуют несколько эквивалентных формулировок второго начала термодинамики:

Постулат Клаузиуса: «Невозможен процесс, единственным результатом которого являлась бы передача тепла от более холодного тела к более горячему».

Постулат Томсона (Кельвина): «Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара» (такой процесс называется процессом Томсона).

Эквивалентность этих формулировок легко показать. В самом деле, допустим, что постулат Клаузиуса неверен, то есть существует процесс, единственным результатом которого была бы передача тепла от более холодного тела к более горячему. Тогда возьмем два тела с различной температурой (нагреватель и холодильник) и проведем несколько циклов тепловой машины, забрав тепло Q₁ у нагревателя, отдав Q₂ холодильнику и совершив при этом работу A=Q₁-Q₂. После этого воспользуемся процессом Клаузиуса и вернем тепло Q₂ от холодильника нагревателю. В результате получается, что мы совершили работу только за счет отъёма теплоты от нагревателя, то есть постулат Томсона тоже неверен.

С другой стороны, предположим, что неверен постулат Томсона. Тогда можно отнять часть тепла у более холодного тела и превратить в механическую работу. Эту работу можно превратить в тепло, например, с помощью трения, нагрев более горячее тело. Значит, из неверности постулата Томсона следует неверность постулата Клаузиуса. Таким образом, постулаты Клаузиуса и Томсона эквивалентны.

Другая формулировка второго начала термодинамики основывается на понятии энтропии: «Энтропия изолированной системы не может уменьшаться, т.е остается постоянной или возрастает». Такая формулировка основывается на представлении об энтропии как о функции состояния системы, что также должно быть постулировано.

§ 6.9. Тепловые двигатели и холодильные машины

Тепловой двигатель – периодически действующее устройство, совершающее работу за счет полученной извне теплоты. Это устройство, совершающее работу за счет использования внутренней энергии химических связей молекул топлива, тепловая машина, превращающая тепло в механическую энергию, использует зависимость теплового расширения вещества от температуры. Действие теплового двигателя подчиняется законам термодинамики. Для работы необходимо создать разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Для работы двигателя обязательно наличие топлива. Это возможно при нагревании рабочего тела (газа), который совершает работу за счёт изменения своей внутренней энергии. Повышение и понижение температуры осуществляется, соответственно, нагревателем и холодильником. В тепловых двигателях используется прямой цикл.

Принцип работы

От термостата с более высокой температурой T₁, называемого нагревателем, за цикл отнимается количество теплоты Q₁, а термостату с более низкой температурой T₂, называемому холодильником, за цикл передается количество теплоты Q₂, при этом совершается работа

_T1

T₂

Тепловой двигатель

Q₁

Q₂

A

T₁

T₂

Тепловой двигатель

Q₁

Q₂

A

Термостат – термодинамическая система, которая может обмениваться теплотой с телами без изменения температуры.

Коэффициент полезного действия для кругового процесса

Чтобы η = 1, необходимо =0, т.е. тепловой двигатель должен иметь один источник теплоты, а это невозможно. Французский физик С. Карно показал, что для работы теплового двигателя необходимо не менее двух источников теплоты с разными температурами, иначе это противоречило бы второму началу термодинамики.

Холодильная машина – периодически действующая установка, в которой за счет работы внешних сил теплота переносится к телу с более высокой температурой.

Тепловой двигатель

T₂

T₁

Q₁

Q₂

A

Тепловой двигатель

T₂

T₁

Q₁

Q₂

A

Принцип работы. Системой за цикл от термостата с более низкой температурой T₂ отнимается количество теплоты Q₂ и отдается термостату с более высокой температурой T₁ количество теплоты Q₁ . Для кругового процесса Q = A, но по условию Q = Q₂ – Q₁ < 0, поэтому A < 0 и Q₂ – Q₁ = – A, или Q₁ = Q₂ +A, т.е. количество теплоты Q₁, отданное системой источнику теплоты при более высокой температуре T₁, больше количества теплоты Q₂, полученного от источника теплоты при более низкой температуре T₂, на величину работы, совершенной над системой. Следовательно, без совершения работы нельзя отбирать теплоту от менее нагретого тела и отдавать ее более нагретому. Это утверждение является одной из трактовок второго начала термодинамики в формулировке Клаузиуса.

Второе начало термодинамики вовсе не запрещает переход теплоты от менее нагретого тела к более нагретому. Именно такой переход осуществляется в холодильной машине. Но при этом внешние силы совершают работу над системой, т.е. этот переход не является единственным результатом процесса.