17 Вопрос. Осн. Формулировки 2-го з-на термодинамики.

Первый закон термодинамики устанавливает количественное равен­ство между теплотой и работой при их взаимных превращениях в цикличе­ских процессах, но ничего не говорит об этих условиях. Поэтому необхо­димым дополнением к нему является второй закон термодинамики, фор­мулирующий эти условия, не затрагивая вопроса о количественных соот­ношениях между теплотой и работой при их взаимных превращениях.

Впервые соображения, на основе которых впоследствии был сфор­мулирован второй закон термодинамики, были высказаны М.В. Ломоносо­вым еще в 1747 г., когда термодинамики еще не существовало, а затем С. Карно в 1824 г., когда она находилась еще в самой начальной стадии формирования.

Обобщение теоретических исследований работы тепловых машин позволило Р. Клаузиусу в 1850 г. сформулировать следующий постулат, который считается одной из классических формулировок второго закона термодинамики: Теплота не может переходить от холодного тела к более нагретому сама собой, даровым процессом (без компенсации).

Почти одновременно (в 1851 г.) В. Томсон сформулировал другой постулат, который также считается классической формулировкой второго закона термодинамики: Невозможно при помощи неодушевленного мате­риального двигателя получить от какой-либо массы вещества механиче­скую работу путем охлаждения ее ниже самого холодного из окружающих предметов.

Впоследствии тот же постулат был сформулирован М. Планком дру­гими словами: невозможно построить периодически действующую маши­ну, все действие которой сводилось бы к поднятию некоторого груза и ох­лаждению теплового источника.

Наконец, назвав принципиально неосуществимую тепловую машину, которая в противоречии с постулатом Томсона могла бы совершать меха­ническую работу только за счет охлаждения одного лишь источника теп­лоты, вечным двигателем второго рода (в отличие от вечного двигателя первого рода, который мог бы совершать работу вообще без затраты энер­гии, т. е. в противоречии с первым законом термодинамики), В.Ф. Ост­вальд дал наиболее лаконичную формулировку постулата Томсона: осуще­ствление вечного двигателя второго рода невозможно.

Объединяя постулаты Клаузиуса и Томсона и выходя за рамки теп­ломеханических процессов, к которым эти постулаты относятся, можно сформулировать следующее положение, которое по сути дела и составляет содержание второго закона термодинамики в его наиболее общей форме. Если в заданной системе какие-либо процессы могут протекать самопроиз­вольно, то обратные по отношению к ним процессы возможны лишь при условии определенных компенсирующих изменений состояния системы, а протекать самопроизвольно они не могут. Иными словами, все самопро­извольные процессы природы необратимы.

Следует подчеркнуть, что это положение в принципе недоказуемо и лишь обобщает весь накопленный человечеством опыт, а потому и не может быть опровергнуто данными этого опыта.

Возвратимся теперь еще раз к тепломеханическим циклам и рассмот­рим их с точки зрения второго закона термодинамики в его общей форме. Превращение работы в теплоту может протекать самопроизвольно, следова­тельно, оно является процессом необратимым. Это означает, что обратное превращение теплоты в работу возможно лишь при условии наличия ком­пенсирующего самопроизвольного процесса, каковым и является переход некоторого количества теплоты от горячего источника к холодному. С дру­гой стороны, поскольку переход теплоты от горячего источника к холодно­му может протекать самопроизвольно, он тоже является процессом необра­тимым. Следовательно, обратный переход теплоты от холодного источника к горячему возможен лишь при наличии компенсирующего самопроизволь­ного процесса превращения некоторого количества работы в теплоту.