Второе начало термодинамики

Первое начало термодинамики не дает никаких указаний относительно направления, в котором могут происходить процес­сы 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 по 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.

О направлении процессов, происходящих в действитель­ности, позволяет судить второе начало термодинамики. Оно со­вместно с первым началом позволяет также установить множе­ство точных, количественных соотношений между различными макроскопическими параметрами тел в состоянии термодина­мического равновесия.

Из формулы для к.п.д. видно, что к.п.д. тепловой машины меньше единицы. Наилучшей была бы машина, с к.п.д. равным единице. Такая машина могла бы полностью превращать в рабо­ту всю полученную от некоторого тела теплоту, ничего не отда­вая холодильнику. Машина с к.п.д. равным единице не противоречит первому началу термодинамики. Но многочисленные опыты показали невозмож­ность создания подобной машины. К такому выводу впервые пришел Сади Карно в 1824 г. Он считается основоположником второго начала термодинамики. Изучив условия работы тепловых машин, он доказал, что для производства работы тепловой машиной нужно не менее двух источников теплоты с различными температурами. В даль­нейшем это детально было изучено Р.Клаузиусом (1850 г.) и В.Кельвином (1852 г.) и Планком, которые дали свои формулировки второго начала термодинамики, устанавливающего направления течения и характер процессов, происходящих в природе.

Согласно Клаузиусу: Теплота не может сама собой переходить от менее нагретого тела к более нагретому.

Кельвин: Невозможно построить тепловую машину, которая превращала бы в работу теплоту наиболее холодного из имеющихся в системе тел.

Такой машиной могла бы быть машина, превращающая в работу теплоту воды в океане. Если путем отнятия теплоты и превращения ее в работу удалось бы понизить температуру всей океанской воды только на 0,1⁰, то можно было приводить в движение все машины и станки на земном шаре в течение 1500 лет. Такая машина была бы эквивалентна вечному двигателю, поэтому ее называют вечным двигателем второго рода.

Планк: Невозможен такой периодический процесс, единственным результатом которого было превращение теплоты в работу.

Двигатель, имеющий к.п.д. 100 %, т.е. полностью превра­щающий в работу всю полученную извне теплоту, получил на­звание вечного двигателя (перпетуум мобиле) второго рода.

По­этому другая формулировка второго начала термодинамики запрещает вечный двигатель второго рода: невозможен перпету­ум мобиле второго роде, т.е. такой периодически действующий двигатель, который получал бы тепло от одного резервуара и превращал от одного резервуара и превращал бы эту теплоту полностью в работу.