Термодинамика. Лекция 4.
К.т.н. Прохоренко Н.Н.
Второй закон термодинамики.
Второй закон термодинамики по своим формулировкам неоднократно дополнялся за более чем полутора-вековое существование науки – термодинамики. Если бегло взглянуть в соответствующий раздел нескольких монографий или даже учебников по технической термодинамике, то без специальной консультации едва ли можно утвердиться в понимании второго закона термодинамики. Лишь совершенно очевидно при первом знакомстве с этим законом, что речь идет о переносе теплоты в циклах и о характере изменения при подобном переносе параметра – энтропии. Это впечатление не случайно, а исторически предопределено самим становлением термодинамики.
Становление термодинамики приняло систематический характер со времени публикации во Франции в 1824 году первой и единственно прижизненной научной статьи инженера-артиллериста по образованию и молодого ученого Саади Карно. В статье впервые в науке было введено понятие «движущая сила» применительно к теплопереносу – ΔТ – конечной разности температур, которая всегда создает неравновесный (необратимый) процесс.
В 1851 году немецкий профессор Рудольф Клаузиус ввел в научный оборот новую для термодинамики функцию – энтропию через рассмотрение переноса теплоты в обратимых (терморавновесных) циклах. Р. Клаузиус показал, что в круговом процессе
∫dQ/T = 0,
и тем самым доказал существование функции состояния S и полноту ее дифференциала:
dS = dQ/T.
Далее, им показано на инженерном примере необратимого (термонеравновесного) теплосилового цикла возрастание этой функции (параметра) S при переносе теплоты с высшего температурного уровня на низший в условиях необратимости. Например, при наличии конечных разностей температур между рабочим телом и верхним (по температуре) источником теплоты. Однако, автор столь фундаментального вывода, относящегося к пятидесятым годам Х1Х века, основное внимание сосредоточил на главном вопросе теплотехники – эффективного перевода теплоты от верхнего источника (котельного агрегата в современной терминологии) к нижнему (холодильнику или конденсатору) с целью получения работы в реальном необратимом теплосиловом цикле.
Далее, по Л.Н. Толстому: «Все смешалось в доме Облонских.» - стали в единстве рассматривать введение нового параметра состояния – энтропии, ее обязательный рост в природных (т.е. неравновесных) процессах и, наконец, невозможность превращения всей внешней теплоты из внешнего источника полностью во внешнюю работу.
В действительности введенные Р. Клаузиусом три новых научных положения должны рассматриваться как самостоятельные проблемы:
- есть параметр состояния теплового взаимодействия – энтропия, и она нашла свое место в термодинамике и не только в ней;
- есть закономерность неполного превращения подведенной теплоты в работу в замкнутых процессах (циклах);
- есть явление обязательности роста энтропии в естественных (самопроизвольных) неравновесных (необратимых) системах (совсем необязательно с замкнутыми процессами).
Вторая проблема существенна для узкого круга приложений технической термодинамики – теории тепловых и холодильных установок, но не для науки-термодинамики. Последняя проблема по существу является констатацией эмпирического факта, математическая запись которого имеет вид:
dS = dQ/T + Δ, Δ > 0 (4.1)
для необратимых процессов. И этот факт ученые-термодинамики оставили у себя в термодинамике в качестве второго закона.
Окончательно, приведем лишь одну из множества существующих формулировок второго закона термодинамики, предложенную немецким ученым Максом Планком:
«Всякий происходящий в природе процесс протекает в таком направлении, что сумма энтропий всех участвующих в процессе тел увеличивается».