2.7.2. Третій початок термодинаміки

Перші два начала термодинаміки дають недостатньо відомостей про поведінку термодинамічних систем при 0 К. Вони доповнюються третім початком термодинаміки або теоремою Нернста - Планка: ентропія всіх тіл в стані рівноваги прагне до нуля в міру наближення температури до нуля Кельвіна:

Так як ентропія визначається з точністю до адитивної сталої, то цю сталу зручно взяти рівною нулю. Зазначимо, однак, що це довільне припущення, оскільки ентропія по своїй суті завжди визначається з точністю до адитивної сталої.

З теореми Нернста - Планка випливає, що теплоємність C_V при абсолютному нулі дорівнює нулю.

2.7.3. Теплові двигуни і холодильні машини

Формулювання другого початку термодинаміки за Кельвіном, по суті стверджує, що вічний двигун другого роду - періодично діючий двигун, який здійснює роботу за рахунок охолодження одного джерела теплоти, - неможливий.

Двигун другого роду, будь він можливий, був би практично вічним. Охолодження, наприклад, води океанів на 1° дало б величезну енергію. Маса води в Світовому океані становить приблизно 10¹⁸ т, при охолодженні якої на 1 градус виділилося б приблизно 10²⁴ Дж теплоти, що еквівалентно повному спалюванню 10¹⁴ тон вугілля. Залізничний потяг, навантажений цією кількістю вугілля, розтягнувся б на відстань 10¹⁰ км, що приблизно збігається з розмірами Сонячної системи.

Принцип дії теплового двигуна наведено на рис. 2.7.1. Від термостата, який визначається, як термодинамічна система, яка може обмінюватися теплотою з тілами без зміни температури, з більш високою температурою Т₁, який називається нагрівачем, за цикл віднімається кількість теплоти , а термостату з більш низькою температурою , який називається холодильником, за цикл передається кількість теплоти . При цьому виконується робота .

Рис. 2.7.1. Блок-схема теплового двигуна

Процес, зворотний тому що відбувається в тепловому двигуні, використовується в холодильній машині, принцип дії якої представлений на рис. 2.7.2. Системою за цикл від термостата з більш низькою температурою віднімається кількість теплоти , а віддається термостату з більш високою температурою кількість теплоти . Для кругового процесу, згідно (2.5.14), .

Рис. 2.7.2. Блок-схема холодильної машини

Але, за умовою , тому і або , тобто кількість теплоти яка віддана системою джерелу теплоти при більш високій температурі Т₁, більше кількості теплоти , отриманої від джерела теплоти при більш низькій температурі на величину роботи , яка виконується над системою.

Отже, без здійснення роботи не можна відбирати теплоту від менш нагрітого тіла і віддавати її більш нагрітому. Це твердження є не що інше, як другий початок термодинаміки у формулюванні Клаузіуса.

Однак другий початок термодинаміки не слід представляти таким, що воно зовсім забороняє перехід теплоти від менш нагрітого тіла до більш нагрітого. Адже саме такий перехід здійснюється в холодильній машині. Але при цьому треба пам'ятати, що зовнішні сили здійснюють роботу над системою, тобто цей перехід не є єдиним результатом процесу.