3.2 Второй закон термодинамики

Второй закон термодинамики устанавливает направленность и условия протекания естественных процессов. Так же, как и первый закон термодинамики, он был выведен на основании экспериментальных данных. Если первый закон термодинамики характеризует процессы превращения энергии с количественной стороны, то второй закон термодинамики позволяет указать направление теплового потока и установить условия, при которых возможно превращение теплоты в полезную работу.

Второй закон термодинамики применим не только к процессам передачи теплоты, но и ко многим другим явлениям, связанным с обменом энергии.

В отличие от первого, второй закон термодинамики позволяет определить, какими должны быть условия, чтобы тот или иной процесс мог возникнуть и протекать в нужном направлении.

Второй закон термодинамики, как и первый, является фундаментальным законом природы. Он имеет большое научное и философское значение. Второй закон термодинамики используется не только в технике, он применяется в физике, химии, биологии, астрономии и других науках.

Открытие второго закона термодинамики связано с анализом работы тепловых машин. Впервые сущность этого закона изложил в 1824 г. французский инженер С. Карно в работе «Размышление о движущей силе огня и машин, способных развивать эти силы». Позднее было предложено около десяти формулировок второго закона термодинамики. Все они тесно связаны друг с другом и эквивалентны друг другу.

Мы остановимся только на двух из них.

Первую формулировку предложил Р. Клаузиус в 1850 году.

1. Невозможен процесс, при котором теплота переходила бы самопроизвольно от холодных тел к телам нагретым.

Для формулирования второй формулировки рассмотрим принцип работы тепловой машины. Общая схема простейшей паровой машины приведена на рис.13.

Рис. 13 Идеализированная паровая машина

Вода и пар, являющиеся рабочим веществом, совершают круговой процесс. Вода в котле превращается в пар при высокой температуре Т₁. При этом паром поглощается количество теплоты Q₁. Пар поступает в рабочий цилиндр, там адиабатически расширяется и, толкая поршень, совершает работу. Перейдя в конденсатор, пар приобретает температуру охлаждающей воды Т₂ и частично конденсируется. При этом конденсатору передается количество теплоты Q₂ < Q₁. Наконец, при помощи насоса сконденсировавшаяся вода снова подается в котел. Здесь она опять нагревается до температуры Т₁.

На этом примере мы видим существенные особенности тепловой машины, общие для всех без исключения тепловых машин.

а. Тепловая машина периодически возвращается в исходное состояние, т.е. работает циклами.

б. Происходит процесс (или ряд процессов), в ходе которого некоторое количество теплоты передаётся рабочему телу от источника теплоты при высокой температуре (нагреватель).

в. Происходит процесс (или ряд процессов), в ходе которого меньшее количество теплоты отдается источнику теплоты (холодильнику) при более низкой температуре.

Исходя из вышесказанного, можно сформулировать иную формулировку второго закона

2. Не вся теплота, полученная от теплоотдатчика, может перейти в работу, а только часть ее. Часть теплоты, должна перейти в теплоприемник.