Второе начало термодинамики

Для описания термодинамических процессов первого начала термодинамики недостаточно. Выражая закон сохранения и превращения энергии, первое начало термодинамики не позволяет, однако, определить направление протекания процессов в природе.

Исторически второе начало термодинамики возникло из анализа работы тепловых двигателей. Рассмотрим поэтому схему теплового двигателя (рис. 85). 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 и совершается работа

Чтобы термический коэффициент полезного действия теплового двигателя (56.2) был равен 1, должно быть выполнено условие Q = 0, т. е. тепловой двигатель должен иметь один источник теплоты, а это невозможно. Так, французский инженер Н. Карно (1796 - 1832) доказал, что для работы теплового двигателя необходимо не менее двух источников теплоты с различными - температурами. Невозможность создания теплового двигателя, работающего с одним источником теплоты (так называемый вечный двигатель второго рода), составляет содержание второго начала термодинамики в формулировке Кельвина — Планка: 1) вечный двигатель второго рода невозможен; 2) невозможен процесс, единственным результатом которого является превращение теплоты, полученной от нагревателя, в эквивалентную ей работу.

Двигатель второго рода, будь он возможен, был бы практически вечным, так как запас энергии в окружающей среде почти безграничен. Охлаждение, например, воды океанов на 1° дало бы огромную энергию. Масса воды в мировом океане составляет примерно 10¹⁸ т, при охлаждении которой на 1° выделилось бы примерно 10²⁴ Дж теплоты, что эквивалентно полному сжиганию 10¹⁴ т угля. Железнодорожный состав, нагруженный этим количеством угля, растянулся бы на расстояние 10¹⁰ км, что приблизительно совпадает с размерами Солнечной системы!

Процесс, обратный рассмотренному в тепловом двигателе, используется в холодильной машине, принцип действия которой представлен на рис. 86. Системой за цикл поглощается при низкой температуре T₂ количество теплоты Q₂ и отдается при более высокой температуре T₁ количество теплоты Q₂. Для кругового процесса, согласно (56.1), Q = А, но, по условию, поэтому А < О и , или , т.е. количество теплоты Q₁, отданное системой источнику теплоты при более высокой температуре T₂, 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 составляет содержание второго начала термодинамики в формулировке Р. Клаузиуса: теплота никогда не может переходить сама собой от тел с более низкой температурой к телам с более высокой температурой.

Рис. 86