5.2 Второй закон термодинамики

Был открыт в связи с анализом работы тепловых двигателей. Существовавшие в начале XIX в. тепловые двигатели имели очень низкий

, поэтому определение способов его повышения являлось важнейшей потребностью. Условия, при которых может происходить превращение Q в L и факторы, влияющие на

тепловой машины, впервые установлены в 1824 г. С. Карно.

Выше показано, что для непрерывного и длительного производства работы рабочее тело должно совершать круговой цикл. При этом если работа, полученная при расширении, будет равна работе, затраченной при сжатии, то в результате цикла никакой работы получено не будет. Поэтому работа сжатия должна быть меньше работы расширения, а для этого необходимо, чтобы хотя бы в части процесса сжатия температура рабочего тела была ниже его температуры в процессе расширения. Для этой цели необходимо третье тело, которому рабочее тело отдало бы некоторое количество Q в процессе сжатия и возвращалось в свое исходное положение.

Таким образом, доказана необходимость участия в производстве работы трех тел: горячего источника ГИ, рабочего тела РТ и холодного источника ХИ, а наличие ХИ объясняет формулировку второго закона термодинамики – хочешь получить работу – отводи тепло.

Если первый закон термодинамики устанавливает количественное соотношение между Q и L, второй закон устанавливает качественное соотношение между тепловой и механической энергией, т.е. определяет условия, которые необходимо создать для обеспечения работы теплового двигателя.

По физическому смыслу сущность второго закона можно выразить следующим образом: преобразование теплоты в работу без компенсации (дополнитель-

Рис. 18

ного условия) невозможно. Такой компенсацией в циклах (круговых процессах) является передача части Q холодному источнику, а в разомкнутых процессах – увеличение объема рабочего тела. В то же время преобразование работы в теплоту (трение) происходит полностью (без компенсации).

Схема работы теплового двигателя представлена на рис. 18. Анализ схемы показывает, что в производстве работы участвуют равным образом и подведенное и отведенное тепло. Участие q₂ заключается в том, что в ходе превращения части подведенного тепла в работу тепло снижает свое качество, т.е. без снижения энергетического качества тепла невозможно превратить в работу часть тепла.

Важно отметить, что если первый закон является всеобщим (абсолютным) законом, справедливым для всей вселенной, второй закон справедлив только в земных условиях.

5.3 Некоторые формулировки второго закона термодинамики

Есть несколько формулировок второго закона, каждая из которых вытекает из того или иного наблюдаемого явления, однако все они имеют общий смысл:

Планк – «Невозможно построить периодически действующий двигатель, который производил бы только поднятие груза и охлаждение источника тепла».

Из описания работы ПТУ видно, что этот периодически действующий двигатель не только производит работу (поднимает груз), охлаждая источник тепла, но и отдает тепло холодному источнику (воде, охлаждающей конденсатор).

Оствальд – «Невозможно построить perpetuum mobile второго рода».

По аналогии с вечным двигателем первого рода, таким двигателем называется двигатель, работающий при наличии одного источника тепла. В качестве источника энергии для такого двигателя может служить океан, запасы внутренней энергии которого неисчерпаемы. То же касается внутренней энергии Земли. Расчеты показали, что использование энергии океана для всех нужд человечества охладило бы океан на 0,1^оС за 1700 лет.

Томпсон – «В природе невозможен процесс, полный эффект которого состоит в охлаждении теплового резервуара и эквивалентном поднятии груза».

Рассмотрим это положение на не периодически действующем двигателе. Пусть в сосуде находится газ, который можно считать источником тепловой энергии. Если бы сосуд без постороннего вмешательства поднялся вверх за счет отнятия тепла от газа, это явление не противоречило бы первому закону и в принципе могло бы произойти. Однако число молекул так велико и направления движения их так разнообразны, что вероятность такого явления просто практически отсутствует.

Таким образом, в данном случае необходимо какое-то дополнительное условие, т.е. основной процесс должен сопровождаться дополнительным процессом, в данном случае увеличением объема газа.

Клаузиус – «Теплота не может переходить сама по себе от одного тела к другому, имеющему температуру более высокую, чем первое тело».