§68 Вічний двигун другого роду. Другий закон термодинаміки. Формулювання другого закону термодинаміки Томсона і Клаузіуса [8]

1. Виникає питання, чи не можна побудувати періодично діючу теплову машину без холодильника, тобто зробити так, щоб і, отже, ? Така машина могла б перетворювати в роботу всю теплоту, взяту від теплового резервуара. Можливість її побудови не суперечить закону збереження енергії. За своїм практичним значенням вона майже не поступалася б вічному двигуну першого роду, тому що за її допомогою можна було б виконувати роботу за рахунок практично невичерпних запасів внутрішньої енергії, які мають океани і моря, повітряна атмосфера й надра Землі. Таку машину Вільгельм Оствальд (1853–1932) назвав вічним двигуном другого роду на відміну від вічного двигуна першого роду, тобто двигуна, що виконує роботу з нічого, можливість якого заперечується законом збереження енергії.

Дослідні факти говорять проти можливості побудови вічного двигуна другого роду. Тому неможливість побудови такого вічного двигуна була введена у постулат. Цей постулат називається другим законом термодинаміки і є узагальненням дослідних фактів. Доказом цього є узгодження всіх наслідків, які випливають з цього постулату, з дослідом. Застосовуючи цей постулат до макроскопічних систем, розміри яких не дуже малі, фізика ніде не зіткнулася з протиріччям. Тому другий закон термодинаміки ґрунтується на надійній експериментальній базі. Наведемо два точних формулювання другого закону термодинаміки.

2. Вільям Томсон (який отримав пізніше за наукові заслуги титул лорда Кельвіна) в 1851 р. дав таке формулювання другого закону термодинаміки: «Неможливий круговий процес, єдиним результатом якого було б виконання роботи за рахунок зменшення внутрішньої енергії теплового резервуара».

Нагадаємо, що під тепловим резервуаром розуміють тіло або систему тіл, які знаходяться у стані термодинамічної рівноваги й мають запас внутрішньої енергії. Але тепловий резервуар сам макроскопічної роботи не виконує, а може тільки передавати внутрішню енергію іншому тілу або системі тіл. Якщо остання система виконує роботу за рахунок внутрішньої енергії теплового резервуара, то вона називається в термодинаміці робочим тілом.

3. Клаузіус (1822–1888) у 1850 р. дав істотно інше формулювання основного постулату. Він висунув таке положення: «Теплота не може самочинно переходити від менш нагрітого тіла до більше нагрітого тіла». Під теплотою тут треба розуміти внутрішню енергію тіла. Передачу теплоти (точніше, внутрішньої енергії) можна здійснити не тільки тепловим контактом, але й великою кількістю інших способів. Наприклад, усі тіла випромінюють і поглинають видимі або невидимі промені (електромагнітні хвилі). Випромінювання одного тіла можна за допомогою лінзи або сферичного дзеркала сконцентрувати на іншому тілі, й таким шляхом передати йому тепло. Однак не всяка передача можлива. Зміст постулату Клаузіуса саме й полягає в тому, що неможливо яким би то не було способом забрати теплоту від тіла менш нагрітого, цілком передати його тілу більше нагрітому й так, щоб у природі більше не відбулося ніяких змін.

Але постулат Клаузіуса не стверджує, що передача тепла від тіла менш нагрітого до тіла більше нагрітому взагалі неможлива. Вона неможлива за умови, що у всіх інших тілах ніяких змін не повинно відбутися. У цьому сенсі використовується слово «самочинно» при формулюванні другого закону термодинаміки. Якщо ж відбуваються й інші процеси, то передача теплоти від тіла менш нагрітого до тіла більше нагрітому стає можливою. Так, у холодильних машинах теплота, яка береться від менш нагрітого тіла, передається більш нагрітому тілу. Це не суперечить постулату Клаузіуса, тому що такий перехід відбувається тут не самовільно, а супроводжується роботою електричного двигуна. Якщо ж виключити його електричний двигун, то електричний холодильник перестає діяти.

4. Можна довести що формулювання другого закону термодинаміки Томсона та Клаузіуса є еквівалентними.