Второе начало термодинамики.

Мы отмечали, что энергия является наиболее общей скалярной мерой движения материи. Закон сохранения и превращения энергии отражает свойство неучтожимости движения материи. Но различные виды движения материи и соответствующие им виды энергии, как показывает опыт, неравноценны в отношении преобразования друг в друга. Например, механическая энергия, энергия электрического тока, энергия связанного состояния вещества могут без остатка превращаться в тепловую энергию (энергию хаотичного движения молекул вещества), а преобразование тепловой энергии в механическую или электрическую энергию (энергию упорядоченного движения материи) без остатка не удаётся.

Второе начало термодинамики (II н.т.д.) связано с неравноценностью превращения энергии различных видов.

Анализ работы теплового двигателя, предназначенного для превращения теплоты в работу показывает, что даже в случае идеальной тепловой машины Карно, коэффициент полезного действия меньше единицы. Это означает, что невозможен тепловой двигатель без холодильника. В таком двигателе всё тепло, взятое от нагревателя превращалось бы в работу. Принципиальная схема такого двигателя изображена на рисунке. Такой двигатель называется вечным двигателем второго рода.

Второе начало термодинамики в обобщённой форме формулируется как отрицание возможности построения вечного двигателя второго рода.

Если бы такой двигатель был возможен, человечество было бы навсегда освобождено от нужды в упорядоченной энергии (механической, электрической).

Аналогично, I н.т.д. можно сформулировать, как невозможность построить вечный двигатель первого рода. Это двигатель, который совершал бы работу, не потребляя энергии.

Наиболее общая формулировка II н.т.д. связана с понятием энтропии и законом её роста в замкнутых термодинамических системах.

Теорема Карно и Клаузиуса.

В развитии термодинамики и теплотехники значительную роль сыграла теорема Карно:

1. КПД всех обратимых машин, работающих между одними и теми же нагревателем и холодильником, равны между собой.

2. КПД необратимых машин меньше, чем КПД обратимых машин.

Поскольку при одном нагревателе и одном холодильнике возможен только, обратимый цикл Карно, то физический смысл первой части теоремы Карно состоит в том, что КПД обратимого цикла Карно не зависит от природы рабочего тела. Поэтому выражение для КПД, выведенное в предположении, что рабочим телом является идеальный газ, имеет универсальный характер.

Вторая часть теоремы Карно связана с тем, что работа необратимой машины Карно меньше работы обратимой машины Карно, так как работа необратимого расширения меньше работы обратимого расширения, а модуль работы необратимого сжатия больше модуля работы обратимого сжатия.

Вторая часть теоремы Карно может быть выражена математически в форме следующего соотношения:

,

где знак равенства относится к обратимому циклу, а знак неравенства – к необратимому.

Отношение количества теплоты отданной или полученной системой к абсолютной температуре, при которой произошла эта передача , называется приведённым теплом.

Таким образом, теорему Карно можно сформулировать следующим образом: алгебраическая сумма приведённых теплот равна нулю для обратимой машины и меньше нуля для необратимой машины Карно.

Теорему Карно обобщил Клаузиус (1822-1888г.г., немецкий физик-теоретик, один из создателей термодинамики и кинетической теории газов, впервые ввёл понятие энтропии) на случай произвольных циклов, в которых может быть использовано произвольное число нагревателей и холодильников.

Приведём формулировку теоремы Клаузиуса: для произвольного цикла

,

где знак равенства имеет место для обратимых циклов, а знак неравенства – для необратимых.

- приведённая теплота на малом отрезке цикла, - обозначение кривой цикла.

Эту теорему следует рассматривать как формулировку второго начала термодинамики применительно к произвольным замкнутым процессам.