Формулировки второго начала термодинамики

Наиболее общая формулировка второго начала термодинамики применительно ко всем явлениям природы;

в изолированной системе самопроизвольно совершаются лишь такие процессы, которые приводят ее из неравновесного (менее вероятного) состояния к равновесному (более вероятному), в кото­ром она может пребывать сколь угодно долго.

Применительно к тепловым явлениям второй закон термодинами­ки Клаузисом сформулирован в виде постулата (1850 г.): тепло­та не может сама собой (без компенсации) переходить от менее нагретого тела к более нагретому. Т.е. первый закон термодинамики является частным выражением всеобщего закона сохранения и превращения энергии применительно к тепловым явлениям, а постулат Клаузиуса является частным выражением более общего принципа односторонности самопроизвольных процессов. Термодинамика своим возникновением как наука обязана появлению тепловых двигателей. В связи с этим формулировки основных законов термодинамики исторически оказались подчинен­ными интересам теории тепловых двигателей. Первый закон термодинамики (закон эквивалентности) уста­навливает количественную связь между теплотой и работой при полном их взаимном преобразовании , в то время как второй закон указывает на тот опытом установленный факт, что в тепловых двигателях не все тепло, сообщенное рабочему телу , преобразуется в полезную работу , часть тепла остается неиспользованной: . Представляет практический интерес выяснение тех или иных условий, при которых может быть достигнуто максимально возможное использование тепла для получения в двигателях работы. Несмотря на неверное представление о теплоте как о вещест­венной среде (теплород), в 1824г. Сади Карно благодаря пра­вильному методологическому приему пришел к замечательным выво­дам, которые легли в основу теории тепловых двигателей. Прин­ципы Карно сформулированы следующим образом: «…Повсюду, где имеется разность температур, может проис­ходить возникновение движущей силы». «…Движущая сила тепла не зависит от агентов, взятых для его развития; ее количество исключительно определяется темпера­турами тел, между которыми в конечном счете производится перенос теплорода».

Согласно Карно термодинамическая система, в которой совер­шается непрерывное преобразование тепла в работу, должна состоять из источника (тела с большей температурой, отдающего тепло рабочему телу), холодильника (тела с певшей температурой, воспринимающего тепло от ТРТ), рабочего тела и приемника механической работы.

Карно установил также, что в идеальном тепловом двигателе ТРТ должно совершать замкнутый круговой процесс, названный впоследствии циклом Карно. Периодическим повторением цикла достигается непрерывное преобразование тепла в работу. Такая машина называется периодически действующей.

Незамеченная в свое время работа Карно привлекла внимание его соотечественника Клапейрона, а затем и Клаузиуса, который правильно объяснил на основе современного учения о теплоте действие тепловой машины, объединив принцип эквивалентности и принцип Карно, и дал математическую трактовку второго зако­на термодинамики.

Возможность получения работы без отвода тепла в холодиль­ник, означала бы, что двигатель может работать при наличии только источника, в качестве которого могли быть использованы, окружающая нас среда иди вода океана с практически неограни­ченными запасами энергии. Такой двигатель Оствальд назвал вечным двигателем второго рода, что не противоречит первому закону термодинамики. Это открыло бы перед человечеством неограниченные возможности для получения практически бесплатной энергии. Однако второе начало термодинамики опровергает эту возможность, требуя для использования этих неисчерпаемых источников теплоты еще наличие теплоприемника-источника с температурой, более низкой, чем температура воды океанов, атмосфе­ры или земной коры, для отвода теплоты .

Изложенное позволяет второе начало термодинамики формули­ровать и таким образом: невозможно осуществить вечный двигатель второго рода, или невозможно теплоту какого-нибудь тела превра­тить в работу, не произведя никакого другого действия, кроме охлаждения этого тела (постулат В. Томсона, 1851 г.).

Следует знать, что «низкое» качество теплоты, однако, окупается тем, что запасы его велики и оно легко добываемо.Наиболее содержательна формулировка Л.Больцмана (1870-1876г.г.): все естественные процессы являются переходом от менее вероятных к более вероятным состояниям. С ее помощью путем логи­ческих рассуждений можно получить все остальные формулировки второго начала термодинамики и ясно указать пределы его приме­нимости. Установим условия, при которых осуществимо преобразование тепла в работу в тепловых двигателях. Рассмотрим процесс преобразования тепла в работу в поршневом двигателе. Положительная работа газа против сил внешнего давления может быть получена в процессе его расширения. Для того, чтобы вновь повторить такой процесс, необходимо газ возвратить в начальное состояние, т.е. его сжать, на что потребуется затратить работу.

Рис. 11.1. Процесс преобразования тепла в работу в поршневом двигателе

Можно представить три схемы осуществления цикла в зависимости от характера протекания обратного процесса сжатия;

1) процесс сжатия bma совпадает с процессом расширения (результирующая работа цикла равна нулю);

2) процесс сжатия bna располагается выше процесса расширения amb (работа отрицательна);

3) процесс сжатия bka располагается ниже процесса расширения amb (работа положительна).

Очевидно, в тепловом двигателе, назначением которого является производство работы, процесс расширения должен осуществляться при более высоких давлениях, а следовательно, и при более высоких температурах; положительная работа расширения будет больше отрицательной работы сжатия , разность - работа цикла будет воспринята приемником работы.

Таким образом, для непрерывного получения работы в тепло­вом двигателе ТРТ должно периодически совершать цикл, в котором давление газа при расширении должно быть выше, чем при сжатии. Такой цикл называют прямым.

Исследование любого прямого цикла двигателя показывает, что круговой процесс, в результате которого получается поло­жительная результирующая работа, возможен лишь в случае, если на одном участке цикла имеется подвод тепла и на дру­гом – отвод тепла q₂. При этом количество подведенного тепла должно быть больше, чем отведенного . Без этого условия невозможно осуществить прямой цикл, т.е. цикл с положительной результирующей работой. Таким образом, второй закон термодинамики можно сформулировать в виде следующего принципа: невозможен процесс, единственным результатом которого было бы превращение теплоты в работу (К.А.Путилов).

Смысл слов «единственным результатом» заключается в том, что нельзя представить себе цикл с положительной результирующей работой, в совершении которого участвовали бы только источник тепла, ТРТ и больше ничего, т.к. для сжатия при более низких температурах необходимо еще иметь и холодильник, к которому будет отводиться тепло, не преобразованное в работу.

Заметим, что для осуществления цикла ambna, в котором процесс сжатия располагается над процессом расширения, необходима затрата работы . Такой цикл осуществляется в обратных машинах, например в холодильных машинах, и называется обратным.

Исследование циклов показывает, что их осуществление возможно при условии, если на некоторых участках цикла ТРТ сообщается тепло, на других от него отводится. Ниже на рисунках показаны схемы, иллюстрирующие термодинамическую сущность работы прямых и обратных машин.

В прямых машинах (а) осуществляется несамопроизвольный процесс преобразования тепла в работу, а в качестве компенсации происходит самопроизвольный процесс перехода тепла от более нагретого тела – источника, к менее нагретому – холодильнику.

Рис. 11.2. Термодинамическая сущность работы прямых и обратных машин

Под компенсацией понимается изменение термодинамического состояния рабочего тела, либо изменение состояния какого-либо другого тела или нескольких тел, вовлеченных в этот процесс. Например, можно превратить теплоту в работу в отдельном незамкнутом процессе, если, нагревая ТРТ, предоставить ему возможность расширяться и преодолевать сопротивление внешних сил. В этом случае переход тепла в работу компенсируется увеличением объема ТРТ, т.е. компенсацией здесь является изменение термодинамического состояния рабочего тела.

В обратных машинах осуществляется несамопроизвольный процесс передачи тепла от менее нагретого тела к более нагретому. Компенсирующим процессом является процесс превращения затраченной работы в тепло.

Таким образом, назначением прямых и обратных машин является осуществление несамопроизвольных процессов, поэтому согласно второму закону эти процессы должны быть компенсированы самопроизвольными процессами.

Иными словами, переход теплоты в работу возможен лишь в том случае, если этот переход компенсируется изменением термодинамического состояния участвующих в этом процессе тел. Следовательно, второй закон термодинамики можно сформулировать в виде следующего положения: некомпенсированный переход теплоты в работу невозможен.