Второй закон термодинамики

При изучении работы тепловых двигателей возникает вопрос о возможности и направлении протекания того или иного термодинамического процесса. Обычно превращение работы в теплоту не встречает каких-либо ограничений и затруднений. Например, работа сил трения или работа по сжатию газа может полностью переходить в теплоту. Иначе обстоит дело при превращении теплоты в работу. Даже в идеальном прямом цикле Карно не вся подведенная к рабочему телу теплота превращается в работу – часть ее передается холодильнику. Другой пример: теплота от тела с более высокой температурой сама собой переходит к более холодному телу, однако обратный процесс невозможен без дополнительной затраты работы.

Особенности этих процессов определяются вторым законом термодинамики. Исторически сложилось так, что многие замечательные ученые формулировали этот закон по-своему. При этом суть его у всех одна и та же.

Так Карно писал: повсюду, где есть разность температур, может происходить возникновение движущей силы. Её количество определяется исключительно температурой тел, между которыми происходит перенос теплоты. Чтобы получить значительное развитие движущей силы, первоначальная температура должна быть как можно выше, а охлаждение должно быть как можно больше. Хотя нельзя надеяться использовать когда-либо всю движущую силу топлива.

Таким образом, Карно определил невозможность полного использования теплоты для получения работы, то есть невозможность построения вечного двигателя второго рода, совершающего работу благодаря лишь одному источнику теплоты (должен быть еще и холодильник).

Немецкий физик Клаузиус сформулировал второй закон термодинамики так: тепло не может самопроизвольно переходить от менее нагретого тела к более нагретому.

Английский физик Томпсон: невозможен процесс, единственный результат которого состоял бы в поглощении от нагревателя теплоты и полном преобразовании этой теплоты в работу. Это опять же значит, что теплота, сообщаемая рабочему телу, не может полностью превратиться в работу, для осуществления такого превращения необходимо кроме нагревателя иметь еще и холодильник, температура которого все время должна оставаться ниже температуры нагревателя.

Формулировка Планка: невозможно построить периодически действующую машину, единственным результатом действия которой было бы совершение механической работы за счет охлаждения теплового резервуара.

Таким образом, второе начало термодинамики исключает возможность построения «вечного двигателя второго рода», который совершал бы работу за счет энергии тел, находящихся в термодинамическом равновесии, подобно тому, как первое начало термодинамики исключает возможность построения «вечного двигателя первого рода», который совершал бы работу без внешнего источника энергии.