11. Второе начало термодинамики Односторонность протекания самопроизвольных процессов

Опыт показывает, что часть тепла при преобразовании в работу остается неиспользованной. А вот обратный процесс пре­образования работы в тепло всегда и при всяких условиях совер­шается полностью. Т.е. два процесса и c точки зрения полноты их преобразования оказываются неравноценными. Первый закон термодинамики устанавливает баланс энер­гий в процессе их взаимного преобразования, но не дает никаких указаний на возможность направления протекания процесса. Ответ на этот вопрос, а также на вопрос об условиях, при которых эти процессы могут совершаться, дает второй закон термодинамики, который, как и первый закон, получен как обобщение многих опытных данных, многих явлений, наблюдаемых человечест­вом. Второй закон термодинамики является дополнением к первому закону и вместе с ним дает основание для полного и всесторонне­106ои сследования взаимного преобразования тепла в работу. Необходимо обратить внимаете и на его более общее значение как закона, имеющего статистическое толкование и указывающего на направление естественных процессов в природе.

Наблюдения показывают, что одностороннее протекание самопроизвольных процессов свойственно всем явлениям окружающей нас действительности.

Например, расширение газов происходит самопроизвольно, сжатие требует затрата работы. Вода всегда стремится занять наинизший уровень в гидравлической системе, находящейся в поле гравитационных сил тяготения. Смешение двух или нескольких га­зов также происходит самопроизвольно, обратный процесс разделе­ния их самопроизвольно произойти не может. Наконец, изолирован­ная от внешних воздействий система, находящаяся в неравновесном состоянии, т.е. с различными значениями параметров состояния в разных ее точках, с течением времени самопроизвольно приходит в состояние равновесия, ее параметры состояния выравниваются.

Полное равновесие означает отсутствие условий, характери­зующих направление, т.е. отсутствие какого-либо процесса в системе. Отсутствует разность температур, давлений, концентра­ций, т.е. все интенсивные свойства такой системы выравнены.

Вычисление равновесия играет огромную роль в современной химической термодинамике по определению количества выходов, т.е. конечных продуктов реакций. Эти расчеты имеют важное теоретическое и практическое значение для современных реактив­ных двигателей. Обратный процесс наблюдается только при нали­чии внешних воздействий на эту систему.

Из тепловых явлений к числу положительных превращении (терминология Р. Клаузиуса, 1852 г.) относятся:

а) переход тепла от более нагретых тел к менее нагретым;

б) преобразование работы в тепло.

Отрицательными же следует считать:

а) переход тепла от менее нагретых тел к более нагретым;

б) преобразование тепла в работу.

Следует иметь в виду, что отрицательные превращения совер­шаются так же часто, как и положительные, но их осуществление возможно за счет положительных (самопроизвольных) превращений, компенсирующих первые.

Одностороннее протекание всех самопроизвольных процессов в изолированной системе и невозможность осуществления обратных процессов без компенсации их, или, иначе говоря, необратимость реальных макропроцессов в природе, и составляет сущность второго начала термодинамики.