1. Чем подобны и чем отличаются первый и второй законы термодинамики?

Подобие первого и второго законов термодинамики заключается в том, что они являются опытными и справедливость их подтверждается многочисленными следствиями, вытекающими из них. Отличие их состоит в том, что первый закон устанавливает количественное соотношение между теплотой, внутренней энергией и работой процесса и ничего не говорит о возможности осуществления его при заданных условиях. На этот вопрос отвечает второй закон термодинамики.

2. Приведите самую общую формулировку второго закона термодинамики.

Самой общей формулировкой второго закона термодинамики является утверждение — все самопроизвольные процессы необратимы.

3. Приведите частные формулировки второго закона термодинамики.

Частные формулировки второго закона термодинамики предложены классиками термодинамики в XIX веке применительно к рассматривавшимся ими задачам:

– формулировка Карно: для осуществления кругового процесса необходимо иметь не менее двух источников теплоты разной температуры;

– формулировка Клаузиуса: теплота не может сама собой переходить от более холодного к более нагретому телу;

– формулировка Планка: невозможно построить периодически действующую машину, всё действие которой сводилось бы к поднятию груза и отбору энергии (теплоты) (охлаждению) горячего источника теплоты.

Последняя формулировка постулирует невозможность создания вечного двигателя второго рода, использующего только один (горячий) источник теплоты. Идея такого двигателя не противоречит первому закону термодинамики, так как, используя внешнюю энергию (теплоту), можно получать любое количество работы. В соответствии с первым законом термодинамики можно получать неисчерпаемое количество работы (энергии) за счет энергии воды океанов либо атмосферного воздуха. Однако, такой двигатель, не противоречащий первому закону термодинамики, противоречит второму закону в приведенной выше формулировке Планка.

3. Запишите аналитическое выражение второго закона термодинамики

Аналитическое выражение второго закона термодинамики имеет вид:

Знак равенства соответствует обратимым процессам, а знак неравенства — необратимым, т.е. при обратимом подводе (отводе) теплоты энтропия системы не изменяется и наоборот чем больше необратимость процесса подвода (отвода) теплоты, тем больше рост энтропии системы.

4. Изобразите на p,V диаграмме произвольные прямой и обратный термодинамические циклы. Охарактеризуйте условия их выполнения.

На рис.1.1а изображен прямой произвольный цикл, состоящий из двух произвольных процессов расширения (1-с-2) и сжатия – (2-d-1). Такая совокупность процессов возможна в том случае, когда работа расширения, эквивалентная площади а-1-с-2-b-а, больше работы сжатия, эквивалентной площади b-2-d-1-a-b. Такой цикл применяется для получения работы с помощью тепловых двигателей. На рис.1.1б изображен обратный произвольный цикл, состоящий из двух произвольных процессов расширения (1-с-2) и сжатия (2-d-1). Такая последовательность процессов возможна в том случае, когда работа расширения, эквивалентная площади а-1-с-2-b-а, меньше работы сжатия, эквивалентной площади b-2-d-1-a-b. Такой цикл применяется в холодильных установках для отвода теплоты от охлаждаемых объектов (холодных) в окружающую среду (теплую).

Рис.1.1. Прямой (а) и обратный (б) циклы на рабочей диаграмме p,v