4.5. Второй закон термодинамики. Формулировки второго закона термодинамики

Первый закон термодинамики ничем не ограничивает передачу различных видов энергии от одного тела к другому и их взаимопревращение. Он позволяет определить теплоту, работу, изменение внутренней энергии в различных термодинамических процессах, т.е. устанавливает лишь, что при переходе энергии из одного всегда в другой или при передаче её от одного тела к другому должен выполняться фундаментальный закон сохранения и превращения энергии. Однако он не устанавливает условий, при которых возможен тот или иной процесс, и проявление процесса.

Эти условия определяет второй закон термодинамики.

Второй закон термодинамики, как и первый, сформулирован на основе обобщения результатов практического опыта и наблюдений. Он устанавливает определённые ограничения на процессы передачи и превращения энергии.

Во-первых, это стремление всех естественных (самопроизвольных) процессов протекать в определённом направлении:

а) теплота самопроизвольно передаётся только от горячего тела к холодному;

б) вода течёт сверху вниз;

в) воздух перемещается из области высоких давлений в область низких давлений.

Во-вторых, все самопроизвольные процессы продолжаются до тех пор, пока не наступит равновесие между телами, участвующими в процессе:

а) переход теплоты от горячего тела к холодному телу продолжается до тех пор, пока их температуры не выравниваются;

б) сжатый воздух самопроизвольно вытекает из баллона (при открытом вентиле) до тех пор пока давление в нем не сравняется с атмосферным.

В-третьих, для осуществления искусственного (не самопроизвольного) процесса необходимо затратить внешнюю энергию.

Чтобы повысить давление воздуха, его надо переместить из области низкого давления в область высокого давления. Это искусственный процесс, и для его осуществления к воздуху в компрессоре ГТД подводят внешнюю работу.

Вышеперечисленные явления определяют условия, необходимые, для реального преобразования теплоты в работу и наоборот. Они отражены в различных формулировках второго закона термодинамики. Приведём эти формулировки.

1.Невозможен самопроизвольный процесс, единственным результатом которого была бы передача энергии путём теплообмена от холодного тела к горячему.

В этом виде закон сформулирован немецким физиком Р. Клаузиусом.

Мы подчеркнём слово “единственным”, так как передача энергии от холодного тела к горячему возможна, но при этом должна быть совершена работа внешними силами. Такие процессы осуществляются в холодильных машинах.

Схема процесса, запрещённого вторым законом термодинамики в формулировке Р. Клаузиуса, представлена на рис. 4.7,в.

2. Любой естественный процесс – есть переход от менее вероятного состояния к более вероятному.

Эта формулировка определяет направление термодинамических процессов. Наиболее вероятным является равновесное состояние термодинамической системы.

Изучение процессов взаимопревращения теплоты в работу и работы в теплоту показывает, что превращение работы в теплоту реализуется сравнительно просто и без ограничений. Так, например, за счёт трения, работу производимую двигателем, можно полностью преобразовать в теплоту. Иначе обстоит дело с превращением теплоты в работу. Вся многолетняя практика создания тепловых машин (двигателей) свидетельствует о том, что в любом из них нельзя полностью преобразовать подведённое к рабочему телу тепло в механическую работу.

Для периодического возвращения рабочего тела в исходное состояние в числе термодинамических процессов, составляющих цикл любой машины, обязательно имеется процесс, в котором происходит отвод части подведённой теплоты во внешнюю среду. Без этого процесса невозможно вернуть рабочее тело в исходное состояние после подвода теплоты и адиабатного расширения, путём только адиабатного сжатия. Это объясняется тем, что адиабатные процессы, соответствующие состоянию рабочего тела в начале и в конце процесса, различны. А различные адиабаты, как известно, не пересекаются. Учитывая сказанное, можно сформулировать второй закон по-другому.

3. В циклически действующей тепловой машине невозможен процесс, единственным результатом которого было бы преобразование в механическую энергию, всего количества теплоты, полученного от источника энергии – нагревателя.

В этом виде второй закон сформулировал английский физик, один из основоположников термодинамики Уильям Томсон в 1851 году.

Таким образом, в любом тепловом двигателе, невозможно получение полезной работы без переноса части количества теплоты от нагревателя в холодильник.

На рис. 4.7. показана принципиальная схема работы любого теплового двигателя. Из рисунка видно, что полезная работа L_ц может быть совершена только за счёт части энергии, выделившейся при сжигании топлива.

Даже если пренебречь всеми тепловыми потерями, то

L_ц = Q₁ – Q₂,

где Q₁ – количество теплоты от нагревателя, Q₂ – количество теплоты, отданное холодильнику.

Другими словами, для работы теплового двигателя нужны три тела:

- нагреватель – источник энергии (перегретый при высоком давлении пар или газ при высокой температуре, созданный за счёт сгорания топлива);

- рабочее тело (обычно это газ, который совершает работу при расширении);

- холодильник (атмосфера или специальное устройство для охлаждения и конденсации отработанного пара).

Схема процесса, запрещённого вторым законом термодинамики в формулировке Томсона представлена на рис. 4.7,б.

Рис. 4.7. Схемы термодинамических процессов, разрешённых и запрещённых вторым законом термодинамики: а – разрешённый процесс, б, в – запрещённые процессы

4. Невозможно построить непрерывно действующую машину, которая производила бы механическую работу за счёт охлаждения какого-либо источника теплоты до температуры более низкой, чем самое холодное из окружающих тел.

Эта формулировка интересна тем, что исключает возможность создания тепловой машины, которая могла бы использовать практически неограниченные запасы низкотемпературной тепловой энергии, содержащейся в мировом океане, в атмосфере.

Если бы удалось создать такую машину, то за счёт огромного количества тепловой энергии, которое соответствует охлаждению воды мирового океана на 1 К, можно было бы обеспечить потребность в энергии всего человечества на многие сотни лет.

Двигатель, в котором всё тепло какого-либо тела превращаются в работу, принято называть вечным двигателем второго рода. Другими словами, это двигатель, превращающий теплоту в работу без разности температур в окружающей среде.

И хотя его принцип действия не противоречит первому закону термодинамики, все попытки сконструировать такой двигатель, потерпели неудачу, так как не выполняется второй закон термодинамики. Поэтому В. Оствальд предложил наиболее краткую формулировку второго закона термодинамики.

5. Невозможно создать вечный двигатель второго рода.

Рассмотренным особенностям передачи и превращения тепловой формы энергии можно дать следующее физическое объяснение. Как известно из молекулярной физики, тепловая форма энергии является энергией беспорядочного движения микрочастиц вещества. Работа же совершается за счёт упорядоченного, направленного перемещения отдельных макрообъёмов рабочего тела (тема 2, с. 53). В природе наиболее вероятным состоянием является беспорядочное движение, т.е. тепловое движение частиц. Поэтому работа легко полностью переходит в теплоту. Обратный переход от беспорядочного движения к упорядоченному, т.е. переход теплоты в работу, является переходом от более вероятного состояния к менее вероятному и поэтому ограничен.