4.17 Второе начало термодинамики

Д ля описания термодинамических процессов одного первого начала термодинамики недостаточно. Во-первых, выражая всеобщий закон сохранения и превращения энергии, первое начало термодинамики не позволяет определить направление протекания процес­сов в природе. С точки зрения первого начала любой мыслимый процесс, не противоречащий закону сохранения и превращения энергии, может быть реализован в природе. Например, если имеются два тела, температуры которых различны, то перво­му началу термодинамики не противоречил бы переход теплоты от тела с более низкой температурой к телу с температурой более высокой. Единственным ограничением, налагаемым первым началом на этот процесс, является требование, чтобы количество теплоты, отданной одним телом, было равно количеству теплоты, полученной вторым. Однако в природе самопроизвольный переход теплоты от менее горячего тела к более горячему не наблюдается.

Во-вторых, при рассмотрении

принципа действия тепловых и холодильных машин, было введено понятие к.п.д.:

.

С практической точки зрения большой интерес представлял бы двигатель, к.п.д. которого равен единице. Такой двигатель не требует наличия двух тел – нагревателя и холодильника. Он может работать только за счёт одного нагревателя – источника тепла с бесконечно большой теплоёмкостью (например, за счёт охлаждения земной коры или океанической воды). Так, расчёты показали, что охлаждение воды океанов всего на 1⁰С дало бы колоссальную энергию. Масса воды в мировом океане примерно 10¹⁸ т. При её охлаждении на 1⁰С выделилось бы около 10²⁴Дж 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. Машина, работающая на таком количестве теплоты, была бы эквивалентна вечному двигателю. Машина с к.п.д. равным единице получила название вечного двигателя (перпетуум мобиле) второго рода. Вечный двигатель второго рода не противоречит первому началу термодинамики. Но многочисленные попытки создать такую машину оказались неудачными. К выводу о невозможности вечного двигателя второго рода первым пришел инженер Сади Карно в 1824 г. Он считается основоположником второго начала термодинамики. Изучив условия работы тепловых машин, Карно доказал, что для производства работы тепловой машиной нужно не менее двух источников теплоты с различными температурами (рисунок 62). В даль­нейшем работа тепловых машин была детально изучена Р.Клаузиусом (1850 г.), У.Томсоном (1851 г.) и Планком, которые дали свои формулировки второго начала термодинамики, устанавливающего направление протекания и характер процессов, происходящих в природе.

Согласно Р. Клаузиусу: Невозможен процесс, единственным результатом которого является передача теплоты от холодного тела к горячему.

Формулировка У.Томсона: Невозможен периодический процесс, единственным результатом которого было бы получение работы за счёт теплоты, взятой от одного источника.

Ещё одна формулировка второго начала термодинамики запрещает вечный двигатель второго рода: невозможен перпету­ум мобиле второго рода, т.е. такой периодически действующий двигатель, который получал бы теплоту от одного источника и полностью превращал бы эту теплоту в работу.

Все приведённые формулировки следуют одна из другой и являются эквивалентными. Справедливость второго начала термодинамики подтверждается тем, что огромное число следствий из него совпадает с результатами опытов.