Глава III

ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ § 12. Сущность второго закона термодинамики

Второй закон термодинамики, как и первый, является эмпиричес­ким, выводится непосредственно из опыта и определяет направление естественных (самопроизвольных) процессов, протекающих в природе. Известно много различных формулировок второго закона термодина­мики, отражающих те или иные особенности таких процессов. Однако его физическая сущность наиболее отчетливо раскрывается в формули­ровке, данной Больцманом. Он подчеркнул свойство природы стремить­ся от состояний менее вероятных к состояниям более вероятным. Из­вестно, что наиболее вероятным состоянием термодинамической систе­мы является ее термодинамическое равновесие. Если теплоизолирован­ную термодинамическую систему вывести из состояния термодинами­ческого равновесия путем создания разности, например, температур между различными телами системы, то за счет самопроизвольных ес­тественных процессов теплообмена эта система придет к состоянию термодинамического равновесия, при котором все тела системы будут иметь одинаковую температуру. На этом же-очевидном факте основы­вается формулировка второго закона термодинамики, предложенная Клаузиусом (1850): теплота сама собой переходит лишь от тела с бо­лее высокой температурой к телу с более низкой температурой и не мо­жет самопроизвольно переходить в обратном направлении.

Следовательно, равновесно'е состояние системы может измениться только вследствие внешнего воздействия со стороны окружающей сре­ды.

Второй закон термодинамики, определяющий условия протекания термодинамических процессов в определенном направлении, имеет чрез­вычайно важное значение для обеспечения эффективной работы тепло­вых машин.

§ 13. Понятие о разновесных и обратимых

термодинамических процессах

Реальные термодинамические процессы всегда возникают в резуль­тате воздействия на систему окружающей среды, выводящей систему ■ из состояния термодинамического равновесия. Следовательно, все реальные процессы являются неравновесными, j Однако неравновесные процессы чрезвычайно сложны и 'трудно- * применимы для теплотехнических расчетов. Это приводит к необхо­димости такие неравновесные процессы определенным образом идеа­лизировать. С этой целью неравновесные процессы обычно заменяются "Равновесными процессами, т. е. такими, при которых термодинамичес­кая система последовательно проходит бесконечный ряд равновесных ;»состояний, бесконечно близких друг к другу. Такой процесс можно '.^представить протекающим очень медленно при исчезающе малом раз­личии состояний самой термодинамической системы и окружающей ^среды.

fe Пусть, например, состояние рабочего тела, характеризуемое опре­деленными значениями давления р и удельного объема v в координа­тах v, р изображается точкой / (см. рис. 6, а). Термодинамический про­весе, сопровождающийся изменением этих параметров, изображается Кривой 1-2. Однако графическое изображение такого процесса оказы­вается справедливым лишь при выполнении вполне определенных ус- Ервий, Действительно, если скорость протекания процесса 1-2 конеп- на (что обычно имеет место в тепловых машинах), то непосредственны­ми замерами параметров рабочего тела можно установить, что при ко­нечной скорости движения поршня давление и температура оказыва­ются различными в разных частях объема цилиндра. В частности, при расширении давление и температура в слоях, прилегающих непосред­ственно к днищу поршня, окажутся меньшими, чем в слоях, от него удаленных. Разность в значениях р и Т по объему тем большая, чем выше скорость процесса (движения поршня). В рабочем теле при этом условии появляются поля давлений и температур. Подобные поля сох­раняются и при протекании процесса в обратном направлении (по пунктирной стрелке), стой лишь разницей, что более уплотненными и более теплыми окажутся в этом случае слои рабочего тела около дни­ща поршня.

Таким образом, в обоих рассмотренных случаях равновесие в ра­бочем теле не устанавливается, поэтому такой процесс, называемый неравновесным, нельзя изображать в рассматриваемой диаграмме, так как само изображение предполагает, что для любой точки рабоче­го тела давление и температура одинаковы. В частности, в точке 1 во всех частях объема цилиндра должны быть ёдиное давление р, и еди­ный удельный объем у_х.

Чтобы получить термодинамический процесс, близкий к равновес­ному, надо уменьшить скорость его протекания. Однако полное равно­весие в любой его точке может быть достигнуто лишь тогда, когда пор­шень остановится пусть на самый короткий промежуток времени и про­цесс прервется. Если затем процесс продолжается и поршень, пройдя бесконечно малый путь, вновь остановится, то равновесие восстано­вится вновь, но с параметрами, бесконечно мало отличающимися от ' предыдущих.

Процесс, протекающий указанным образом на всем своем протя­жении, состоит из ряда последовательных состояний равновесия и мо­жет быть поэтому назван равновесным процессом. Такой процесс яв­ляется только теоретическим процессом. Действительные процессы, всегда протекающие с конечными скоростями, к равновесным процес­сам могут лишь приближаться в той или иной мере. Термодинамика рассматривает именно равновесные процессы благодаря их простоте. Полученные для них закономерности широко используются в практи- _; ческой теплотехнике, потому что скорость распространения им пуль- ; сов давлений по объему рабочего тела значительно больше скорости ; движения поршня и при любом его положении состояние рабочего те- | ла мало отличается от равновесного.

К числу равновесных процессов можно также отнести процессы, протекающие бесконечно медленно. Так, если давление на внутрен­нюю поверхность поршня со стороны рабочего тела превышает давле­ние внешней среды, действующее на другую сторону поршня, на бес­конечно малую величину dp, то последний будет бесконечно медлен­но двигаться в сторону расширения газа. При перемене знака dp будет происходить бесконечно медленное сжатие газа. ГТри равенстве давле­ний по обе стороны поршня он остановится и наступит одно из проме­жуточных состояний равновесия.

Ідр- • В случае теплового взаимодействия рабочего тела с внешней сре- Н₀н бесконечно медленное протекание процесса возможно лишь тог- »да, когда температуры газа и окружающей среды отличаются друг от Круга на бесконечно малую величину йТ, под действием которой к те- |ру подводится или отводится бесконечно малое количество теп-