7. Второе начало термодинамики

7.1. Формулировки второго начала термодинамики

Как нам уже известно, первое начало термодинамики устанавливает количественные зависимости при взаимных превращениях энергии в термодинамических процессах. На основании первого начала термодинамики можно было бы считать осуществимым любой термодинамический процесс при одном только непременном условии, чтобы он не противоречил закону сохранения и превращения энергии.

Но первое начало термодинамики не рассматривает условий, при которых возможно осуществить превращение одних видов энергии в другие, поэтому ему не противоречит как полное превращение работы в теплоту, так и полное превращение теплоты в работу.

Второе начало термодинамики, дополняя первое начало и рассматривая эти условия, утверждает невозможность полного превращения теплоты в работу и устанавливает при этом пределы этого превращения.

Кроме того, второе начало термодинамики вводит очень важное понятие энтропии как параметра состояния вещества.

В основу формулировок второго начала термодинамики положены постулаты, т.е. очевидные положения, не требующие доказательств и являющиеся результатом многовекового общечеловеческого опыта.

Наибольшую известность получили постулаты Р. Клаузиуса и Томсона (лорда Кельвина).

Постулат Клаузиуса (1850 г.): «Теплота не может переходить сама собой от более холодного тела к более нагретому». Согласно этому постулату теплота самопроизвольно может переходить лишь от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой; самопроизвольный же переход теплоты от тела с меньшей температурой к телу с большей температурой невозможен.

Постулат Томсона-Кельвина (1852 г.) известен как утверждение о невозможности построения вечного теплового двигателя (perpetuum mobile) второго рода, т. е. двигателя, полностью превращающего теплоту в работу. Согласно этому постулату из всей теплоты, полученной от источника теплоты с высокой температурой – теплоотдатчика, только часть ее может быть превращена в работу, остальная же часть должна быть отведена в теплоприемник с относительно низкой температурой. Другими словами, для работы теплового двигателя необходимы, по крайней мере, два тепловых источника различной температуры.

Этим и объясняется причина, по которой нельзя перевести в работу теплоту окружающего нас атмосферного воздуха или теплоту воды морей и океанов при отсутствии источников теплоты с более низкой температурой, чем температура атмосферного воздуха или воды морей. Если было бы возможно обойтись без таких источников теплоты – теплоприемников, то, учитывая колоссальный запас энергии воды океанов и морей, можно было бы создать практически вечный двигатель второго рода, который работал бы только за счет теплоты теплоотдатчиков – этого единственного источника теплоты.

Подсчитано, что, если бы все теплосиловые установки нашей планеты работали за счет теплоты Мирового океана, который был бы единственным источником теплоты, то за 1700 лет его температура понизилась бы только на 0,01°С.

Второе начало термодинамики, являющееся, как и первое начало, фундаментальным законом природы, имеет большое научное, прикладное значение.