§12. II начало термодинамики

I начало термодинамики не даёт указаний относительно направления, в котором могут происходить процессы в природе. Для изолированной системы I закон термодинамики требует только то, чтобы при всех процессах энергия системы оставалась постоянной. Если 1 и 2 – два состояния такой системы, то I закон ничего не может сказать, будет ли система переходить из состояния 1 в состояние 2, или из состояния 2 в состояние 1. Пусть два тела находятся в адиабатической оболочке и взаимодействуют между собой. Тогда Q₁=-Q₂, т.е. тепло Q₁ полученное одним телом, равно теплу Q₂, отданному другим телом. В каком направлении будет переходить тепло, I закон термодинамики не отвечает. Согласно I закону тепло может переходить от менее нагретого к более нагретому, хотя в действительности такой процесс самопроизвольно не идёт. I закон термодинамики не даёт количественную меру температуры.

II начало термодинамики, наоборот, позволяет судить о направлении процесса. Кроме того, II закон термодинамики позволяет решить вопрос о количественной мере температуры и позволяет построить температурную шкалу, не зависящую от произвола выбора термометрического тела и устройства термометра.

Различные формулировки основного постулата, выражающего II начало термодинамики

Чтобы прийти к формулировке постулата II закона термодинамики, рассмотрим схематически работу тепловой машины (рис.1). В цилиндре помещается газ или какое – либо другое вещество, называемое рабочим телом.

П усть начальное состояние тела 1. Приведем дно цилиндра в тепловой контакт с нагревателем, т. е. с телом, температура которого выше температуры газа в цилиндре. Газ будет нагреваться и расширяться по кривой 1а2. Рабочее вещество получит от нагревателя тепло Q₁ и совершит положительную работу. Согласно I закону термодинамики

. (1.30)

Теперь надо вернуть поршень в исходное положение. Это надо сделать так, чтобы работа A₂ затраченная на сжатие была меньше A₁ (в этом случае мы получим полезную работу). С этой целью приведём дно цилиндра в тепловой контакт с холодильником, температура которого ниже температуры газа в цилиндре и сожмём газ по пути 2в1. При этом газ вернётся в исходное положение 1 и отдаст холодильнику тепло Q₂.

. (1.31)

Отсюда в комбинации с (1.30) имеем

.

Таким образом, тепловая машина совершила круговой процесс, в результате которого нагреватель отдал тепло Q₁, холодильник получил тепло Q₂, а тепло Q₁-Q₂ – пошёл на производство полезной работы A₁-A₂. Отношение

(1.32)

называется коэффициент полезного действия. Возникает вопрос нельзя ли построить периодически действующую тепловую машину без холодильника, т. е. чтоб Q₂=0 и  =1. В этом случае тепловая машина превратила бы в работу всю теплоту, полученную от теплового резервуара. Возможность её построение не противоречит закону сохранения энергии. Такую машину Оствальд назвал вечным двигателем II рода. Опытные данные говорят против возможности двигателя II рода и это возведен в постулат и является постулатом II начала термодинамики.

Томсон дал такую формулировку постулаты II начала термодинамики: невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счёт охлаждения теплового резервуара.

Планк сформулировал постулату II начало термодинамики следующим образом: невозможно построить периодически действующую машину, единственным результатом которой было бы поднятие груза за счёт охлаждения теплового резервуара.

Формулировка Клаузиуса: «Теплота не может самопроизвольно переходить от тела менее нагретого к более нагретому, при условии, что во всех окружающих телах никаких изменений нет.

Прежде чем как перейти к подробному изучению II начало термодинамики рассмотрим некоторые термодинамические понятия.