§28. Второй закон термодинамики

Первый закон термодинамики, представляющий собой закон сохранения энергии для термодинамических систем, никак не определяет условий, при которых возможно то или иное превращение энергии. Эти условия определены вторым законом (вторым началом) термодинамики, который устанавливает возможные направления протекания всех реальных процессов в природе и пределы возможного превращения теплоты в работу. Определенная направленность термодинамических процессов связана с их необратимостью.

28.1. Обратимые и необратимые процессы

Обратимым термодинамическим процессом называется процесс, допускающий возвращение системы в первоначальное состояние через ту же последовательность промежуточных состояний, что и в прямом процессе, но проходимых в обратном порядке. При этом все внешние тела, с которыми взаимодействовала система, совершающая этот процесс, возвращаются в исходное состояние.

Обратимым можно считать процесс адиабатического расширения или сжатия газа. Действительно, при адиабатическом процессе условие теплоизолированности системы исключает непосредственный теплообмен между системой и внешней средой. Поэтому, произведя адиабатическое расширение газа, а затем сжатие, можно вернуть газ в исходное состояние так, что в окружающей среде никаких изменений не произойдет.

В термодинамике показано, что свойством обратимости обладают только равновесные процессы (так как при их осуществлении нет изменений в окружающей среде.

Всякий процесс, не удовлетворяющий условиям обратимости, является необратимым (то есть неравновесным).

Все реальные процессы в природе, происходящие самопроизвольно, необратимы. Так, необратим процесс теплопередачи между двумя телами. Энергия частиц более нагретого тела уменьшается, а энергия частиц более холодного тела увеличивается - в результате температуры тел выравниваются. Этот процесс идет самопроизвольно при возникновении контакта между телами. Обратный процесс, то есть нагревание более горячего тела за счет охлаждения более холодного тела, как известно, самопроизвольно не происходит. Для его осуществления необходим дополнительный, так называемый компенсирующий процесс, который заключается в отборе теплоты у более холодного тела и передача ее более нагретому телу путем совершения работы. Этой цели служит холодильная машина. Таким образом, хотя в результате прямого и обратного процессов система (различно нагретые тела) возвращается в исходное состояние, состояние внешних тел изменяется (нагрев электродвигателя, холодильной машины и т.д.). Следовательно, процесс теплопередачи при конечной разности температур является необратимым.

Необратимыми являются также процессы диффузии, расширения газа в пустоту и т.д.

Из рассмотренных примеров необратимых процессов видно, что все они в одном направлении протекают самопроизвольно, а для совершения каждого из этих процессов в обратном направлении необходимо, чтобы происходил компенсирующий процесс.

28.2. Второй закон термодинамики

Как и первый закон термодинамики, второй закон является обобщением данных опыта. Многолетняя человеческая практика привела к установлению определенных закономерностей превращения теплоты в работу и работы в теплоту. В результате анализа этих закономерностей появился ряд формулировок второго закона термодинамики, различных по форме, но одинаковых по сущности. Ограничимся следующими двумя:

-невозможны такие процессы, единственным конечным результатом которых был бы переход некоторого количества теплоты от менее нагретого тела более нагретому;

-невозможен процесс, единственным результатом которого является превращение всей теплоты, полученной от некоторого тела, в эквивалентную ей работу.

Как следует из сравнения понятий “работа” и “теплота” (§24), а также из второй формулировки закона, эти две формы передачи энергии не являются равноценными: в то время как работа может непосредственно пойти на увеличение энергии хаотического (теплового) движения частиц тела (например, при скольжении тела по шероховатой поверхности), теплота не может быть непосредственно обращена в работу без изменения термодинамического состояния окружающей среды (как в рассмотренном выше примере с холодильной машиной). Такая неравноправность превращения теплоты в работу по сравнению с превращением работы в теплоту приводит к необратимости естественных процессов: самопроизвольные процессы в замкнутой системе идут в направлении исчезновения потенциально возможной работы. Это подтверждается в частности, первой формулировкой закона.

Следовательно, в то время как первый закон термодинамики выражает количественную эквивалентность работы и теплоты, второй закон выражает их качественную неэквивалентность.

Для количественной характеристики степени необратимости процессов вводится понятие "энтропия".