Второй закон термодинамики и принцип возрастания энтропии

Второй закон термодинамики

Первое начало термодинамики не дает никаких указаний относительно направления, в котором могут происходить процессы в природе. Для изолированной системы, например, первый закон термодинамики требует лишь, чтобы во всех процессах энергия системы оставалась постоянной. Если 1 и 2 - два состояния такой системы, то первое начало ничего не может сказать о том, будет ли система переходить из состояния 1 в состояние 2, или из состояния 2 в состояние 1. Вообще, на основании первого закона нельзя выяснить , будут в изолированной системе происходить какие-либо процессы.

Пусть теплоизолированная система состоит из двух тел, взаимодействующих между собой, но не взаимодействуют с другими телами. Тогда теплообмен между ними удовлетворяет усло-ву. Теплота полученная одним телом, равна теплоте -, отданной другим телом. В каком направлении будет переходить теплота - на этот вопрос первый закон термодинамики ответить не может. Первому закону не противоречил бы, например, процесс, в котором теплота произвольно переходит от тела менее нагретого к телу более нагретому.

Второй закон термодинамики, наоборот, позволяет сделать вывод о направлении процессов, которые могут происходить в действительности. Кроме того, он может вместе с первым законом установить много точных количественных соотношений между различными термодинамическими параметрами тел в состоянии термодинамического равновесия.

Чтобы сформулировать второй закон термодинамики, рассмотрим схематично работу тепловой машины.


Подпись: Подпись:

В цилиндре машины содержится газ или какая-либо другая вещество, которое называют рабочим телом. Для определенности будем считать, что рабочим телом является газ. Пусть на диаграмме VP исходное состояние тела изображается точкой - 1.

Пусть дно цилиндра вступает в тепловой контакт с нагревателем, то есть с телом, температура которого выше температуры газа в цилиндре. Газ будет нагреваться и расширяться - этот процесс изображен кривой 1a2. Рабочее вещество получит от нагревателя теплоту, и выполнит положительную работу. Согласно первому закону

Теперь надо вернуть поршень в исходное положение, то есть сжать газ. Это надо сделать так, чтобы работа, затраченная на сжатие, была меньше,. Чтобы достичь этого, введем дно цилиндра в тепловой контакт с холодильником, то есть телом, температура которого ниже температуры газа в цилиндре, и сожмём газ способом 2b1. В результате газ вернется к исходному состоянию и. При этом он отдаст холодильнике количество теплоты. По первому закону

Отсюда, в сочетании с предыдущей равенством

Таким образом, тепловая машина совершила циклический процесс, в результате чего нагреватель отдал количество теплоты, холодильник получил количество теплоты пошло на выполнение работы. Отношение

называется коэффициентом полезного действия (КПД) тепловой машины.

Возникает вопрос, нельзя построить периодическую тепловую машину без холодильника, то есть добиться того, чтобы = 0 и, следовательно n = 1? Такая машина могла бы превращать в работу всю теплоту, взятую от источника тепла. Возможность ее построения не противоречит закону сохранения энергии. По своему практическому значению она почти не уступала бы вечному двигателю, так как с ее помощью можно было бы выполнять работу за счет практически неисчерпаемых запасов внутренней энергии, содержащиеся в водах океанов и морей, атмосфере и недрах Земли. Такую машину Оствальд (1853-1932) назвал вечным двигателем второго рода, в отличие от вечного двигателя первого рода, то есть вечного двигателя, который осуществляет работу из ничего. Возможность существования такого двигателя противоречит закону сохранения энергии.

Но уже Карно понял, что такая машина принципиально невозможна. Работу тепловых двигателей он сравнивал с работой водяных двигателей. Работа последних связана с падением воды с более высокого уровня на более низкий. Так и возможность выполнения работы тепловыми двигателями обусловлена, согласно Уголовно, переходом теплоты от тела более нагретого к телу менее нагретому.

Факты опытов отрицают возможность построения вечного двигателя второго рода. Поэтому невозможность построения такого вечного двигателя была возведена до уровня постулата. Он называется постулатом второго начала термодинамики, или вторым законом термодинамики. Применяя этот постулат в макроскопических систем, размеры которых сравнительно крупные, физика до сих пор нигде не обнаружила существенных противоречий.

Уильям Томсон (получивший позже научные заслуги титул лорда Кельвина) в 1851 так сформулировал второй закон термодинамики: "Невозможен циклический процесс, единственным результатом которого было бы выполнение работы за счет охлаждения теплового резервуара". При этом работа за счет охлаждения теплового резервуара выполнялась бы на основе уменьшения внутренней энергии этого теплового резервуара.

Можно конкретизировать, в чем должна заключаться выполнения внешней работы, и таким образом получить много различных формулировок второго закона термодинамики.

Одно из таких формулировок относится Планку: "Невозможно построить периодически действующую машину, единственным результатом которого было бы поднятие груза за счет охлаждения теплового резервуара".

Если газ в цилиндре изотермически расширяется, то вся подведена теплота переходит в работу поднятия груза на поршне:

Это не противоречит постулату второго начала термодинамики, так вышеприведенный процесс нециклические, то есть машина не является периодически действующей. Вот если бы можно было каким-то способом, оставляя груз в поднятом положении, сжать газ, приведя его этим к исходному состоянию, и вернуть поршень в исходное положение таким образом, чтобы во всех других телах (кроме теплового резервуара, часть внутренней энергии которого пошла на производство работы ) не произошло никаких изменений, то тогда это было бы противоречием к постулату второго начала термодинамики, поскольку последний утверждает, что сделать такое невозможно никакими способами.

Клаузиус (1822-1888) в 1850 дал принципиально иная формулировка основного постулата. Он выдвинул следующее положение: "Теплота не может самостоятельно переходить от тела менее нагретого к телу более нагретого". Суть этой формулировки заключается в том, что невозможно никаким способом забрать теплоту от тела менее нагретого и вполне передать ее телу более нагретом и сделать это так, чтобы в природе больше не произошло никаких изменений.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >