10.5. Тепловая машина, работающая по циклическому принципу. Перпетум мобиле второго рода

2 закон термодинамики: «Невозможно полностью превратить все тепло, полученное от нагревателя, в работу». Этот вывод справедлив не только для тепловой машины, работающей по циклу Карно, но и для тепловой машины, работающей по любому циклическому принципу.

Рассмотрим произвольный замкнутый процесс (цикл), см. рис.10.9.

Мысленно мы можем разбить такой процесс на большое число элементарных циклов Карно. Полезная работа будет равна площади контура, которая в свою очередь равна сумме площадей примыкающих друг к другу элементарных циклов. Если элементарных циклов много, то элементарные изотермы практически сливаются с действительным процессом. Для каждого элементарного цикла

= .

Откуда , или т.е. dS = dS₀,

Следовательно, dS - dS₀ = 0 и

- т.е при любом круговом (обратимом) процессе изменение энтропии = 0.

Таким образом, S - однозначная функция состояния, ее приращение не зависит от характера и последовательности процессов при переходе из одного состояния в другое, а определяется лишь исходным и конечным состояниями. С другой стороны в каждом элементарном цикле Карно существует Q₀, передаваемая холодильнику.

Таким образом, тепловая машина, работающая по любому циклическому принципу, не может полностью превратить получаемое от нагревателя тепло в работу.

Принято называть тепловую машину, которая была бы в состоянии полностью превратить получаемое от нагревателя тепло в полезную работу, перпетуум мобиле 2^го рода.

На основании вышеизложенного мощно заключить, что любая конструкция, реализующая перпетуум мобиле 2^го рода (вечным двигателем второго рода), нереалистична и не следует тратить время на ее детальное изучение.

10.6. Второе начало термодинамики

На основании первого начала термодинамики, внутренняя энергия системы может изменяться только в результате совершения работы или передачи некоторого количества теплоты. Работа может совершаться или внешними силами, действующими на систему, или системой над внешними силами. Количество теплоты либо передается от каких-либо тел, не входящих в систему, либо отбираться от самой системы внешними телами. Следовательно, в изолированной системе внутренняя энергия не изменяется.

Возможные с точки зрения первого начала термодинамики процессы оказываются неравноценными в отношении их протекания: одни из них возможны, а другие нет. Например, при смешении двух порций жидкости с разной температурой с точки зрения первого начала термодинамики возможен любой процесс, в результате которого температура смеси установится и будет равна t, при этом должно выполняться соотношение

В то же самое время, возможен и такой процесс, при котором жидкость массой (m₁ + m₂₎, имеющая температуру t, самопроизвольно разделится на две порции массами m₁ и m₂ с различными температурами t₁ и t₂, при этом будет выполняться соотношение:

Однако в действительности последний процесс невозможен

Точно также при смешении водного раствора какой-либо соли с чистой водой всегда наблюдается диффузия, которая приводит к выравниванию концентрации раствора во всей жидкости. Однако никогда не наблюдается, чтобы растворенное в какой-либо жидкости вещество (соль) самопроизвольно собралось бы в одной ее части, в то время как во второй части оказался бы чистый растворитель.

На различие таких процессов и указывает второе начало термодинамики, которое можно сформулировать так: "В изолированной системе возможны только такие процессы, при которых энтропия системы возрастает". Т.е.

или . (1)

Следовательно, чтобы ответить на вопрос, возможен ли в изолированной системе тот или иной процесс, необходимо рассчитать изменение энтропии системы, которым сопровождается этот процесс и если оно положительно, то данный процесс возможен, если отрицательно - нет.

Формулировок второго начала термодинамики несколько, но все они приводят к одним и тем же выводам: "В изолированной системе при всех реальных процессах энтропия возрастает. Или невозможен процесс, единственным результатом которого является превращение в работу теплоты, полученной от нагревателя".

Таким образом, второе начало термодинамики определяет направление термодинамических процессов и указывает на физический смысл энтропии: энтропия - мера рассеяния энергии, т.е. характеризует ту часть энергии, которую нельзя превратить в работу.