§ 5. Второе начало тд.

Второе начало ТД так же как и I начало ТД является эмпирическим законом, полученным в результате обобщения многолетних опытных результатов. Второе начало ТД было сформулировано, независимо друг от друга двумя учеными, Клаузиусом и Кельвином (лордом Томпсоном).

Формулировка Клаузиуса: процесс, при котором не происходит никаких изменений, кроме передачи тепла от горячего тела к холодному, является необратимым, иначе говоря, теплота не может спонтанно перейти от более холодного тела к более горячему, без каких либо других изменений в системе. (т.е. невозможен циклический процесс, единственным результатом которого является передача тепла от более холодного тела к более горячему телу, без изменений в окружающих телах).

Ф ормулировка Кельвина: Невозможен циклический процесс, единственным результатом которого было бы превращение теплоты, получаемой системой от внешней среды в работу, без изменений в окружающей среде.

В этих формулировках ничего не говорится о полном преобразовании работы в теплоту. Действительно, никаких ограничений на этот процесс не существует! Работу можно полностью преобразовать в теплоту без каких-либо иных наблюдаемых изменений (например, торможение автомобиля).

Именно здесь мы встречаемся с фундаментальной ассиметрией природы: работа и теплота, будучи эквивалентными, в качестве возможных способов передачи энергии, все же не вполне эквивалентны с точки зрения из взаимных переходов друг в друга. Эта ассиметрия и выражается II началом ТД.

На первый взгляд формулировки Кельвина и Клаузиуса различны, но они эквивалентны, и если верна одна, то верна и вторая и наоборот, если верна вторая то, следовательно, верна и первая. Докажем эквивалентность формулировок Кельвина и Клаузиуса от противного.

1) Допустим, что Кельвин – неправ, а Клаузиус - прав.

Поместим устройство, работающее против принципа Кельвина, между нагревателем и холодильником. Оно превращает тепло в работу полностью, не производя никаких изменений в окружающей среде.

С оединим устройство с тепловой машиной Карно, работающей по обратному циклу, т.е. над рабочим телом совершается работа , и рабочее тело, забирая количество теплоты от холодильника, передает к нагревателю. Предположим, устройство работает достаточно долго. Вся отбираемая у нагревателя теплота превращается в работу . Затем по закону сохранения энергии тепловая машина Карно передает нагревателю количество теплоты . Очевидно, результатом работы такого устройства является передача количества теплоты от холодильника нагревателю, без каких-либо изменений в окружающей среде.

Мы получили противоречие - устройство, работающее против принципа Клаузиуса, следовательно, доказали, что если Кельвин – неправ, то и Клаузиус – неправ.

2) Допустим, что Клаузиус - неправ, а Кельвин – прав.

П оместим устройство, работающее против принципа Клаузиуса, между нагревателем и холодильником. Оно передает от холодильника количество теплоты нагревателю без каких-либо изменений в окружающей среде. К этим же термостатам подсоединим тепловую машину Карно. Она берет от нагревателя количество теплоты и совершая работу передает холодильнику количество теплоты . Предположим, устройство работает достаточно долго. От холодильника забирается количество теплоты , и передается нагревателю . От нагревателя забирается количество теплоты , совершается работа и возвращается холодильнику . По закону сохранения энергии . Очевидно, единственным результатом работы такого устройства будет превращения количества теплоты в работу без каких-либо изменений в окружающей среде. Мы получили противоречие - устройство, работающее против принципа Кельвина, следовательно, доказали, что если Клаузиус – неправ, то и Кельвин – неправ.

Мы доказали эквивалентность формулировок II начала ТД, данных Кельвином и Клаузиусом. Это не единственные формулировки II начала ТД.

Вторая формулировка: невозможен вечный двигатель второго рода, т.е. невозможен двигатель с КПД=100%, который тепло переводит в работу, без каких-либо изменений в окружающей среде.

По Кельвину: невозможен цикл с , .

По Клаузиусу: невозможен цикл , .

I начало ТД: - работа не больше количества тепла, переданного системе.

II начало ТД: - работа меньше количества тепла, переданного системе.