Основные формулировки второго закона термодинамики

Рассмотрение особенностей прямых и обратных циклов показывает, что для их осуществления необходимо соблюсти определенные условия.

Первый закон термодинамики устанавливает количественное равенство между теплом и работой при их взаимных превращениях 'в циклических процессах, но ничего не говорит об этих условиях. Поэтому необходимым дополнением к нему является второй закон термодинамики, формулирующий эти условия, не затрагивая вопроса о количественных соотношениях между теплом и работой при их взаимных превращениях.

Таким образом, дополняя друг друга, первый и второй законы термодинамики всесторонне характеризуют циклические процессы взаимных превращений тепла и работы, изучение которых составляет сущность предмета технической термодинамики, и являются поэтому основой, на которой построена вся эта наука.

Как будет показано ниже, в своей общей форме второй закон термодинамики 'выходит далеко за пределы этой науки и охватывает все многообразие доступных нашему восприятию явлений природы. Однако история открытия и развития второго закона термодинамики неразрывно связана с изучением именно закономерностей взаимных превращений тепла и работы.

Впервые соображения, на основе которых впоследствии был сформулирован второй закон термодинамики, были высказаны М. В. Ломоносовым еще в 1747 г., когда термодинамики еще не существовало, а затем С. Карно в 1824 г., когда она находилась еще в самой начальной стадии формирования.

Обобщение теоретических исследований работы тепловых машин позволило Р. Клаузиусу в 1850 г. сформулировать следующий постулат, который считается одной из классических формулировок второго закона термодинамики: Теплота не может переходить от холодного тела к более нагретому сама собой, даровым процессом (без компенсации).

Почти одновременно (в 1851г.) В. Томсон сформулировал другой постулат, который также считается классической формулировкой второго закона термодинамики: Невозможно при помощи неодушевленного материального двигателя получить от какой-либо массы вещества механическую работу путем охлаждения ее ниже самого холодного из окружающих предметов.

Впоследствии тот же постулат был сформулирован М. Планком другими словами: Невозможно построить периодически действующую машину, все действие которой сводилось бы к поднятию некоторого груза и охлаждению теплового источника.

Наконец, назвав принципиально неосуществимую тепловую машину, которая в противоречии с постулатом Томсона могла бы совершать механическую работу только за счет охлаждения одного лишь источника тепла, вечным двигателем второго рода (в отличие от вечного двигателя первого рода, который мог бы совершать работу вообще без затраты энергии, т. е. в противоречии с первым законом термодинамики), В. Ф. Оствальд дал наиболее лаконичную формулировку постулата Томсона: Осуществление вечного двигателя второго рода невозможно.

Чтобы показать, что постулаты Клаузиуса и Томсона являются конкретными формами одного и того же закона природы, следует установить, что процессы, противоречащие постулату Клаузиуса, одновременно противоречат и постулату Томсона, а процессы, противоречащие постулату Томсона, одновременно противоречат и постулату Клаузиуса.

Для этого рассмотрим систему, в которой тепло q₁, отнимаемое от верхнего источника с температурой Т₁,передается рабочему телу, совершающему обратимый цикл в двигателе А (рис. 5.3). В результате этого производится полезная работа l ₀ = q₁ - q₂, передаваемая машине В, а тепло q ₂ сбрасывается в нижний источник.

Предположим, что одновременно с осуществлением обратимого цикла с помощью двигателя А тепло q₁, вопреки постулату Клаузиуса, самопроизвольно переходит от холодного источника тепла к горячему. Тогда получается, что запас тепловой энергии в горячем источнике остается неизменным, а в холодном источнике он уменьшается на величину q₁ - q₂.Следовательно, полезная работа цикла осуществляется за счет тепла, взятого из одного лишь холодного источника, а такой результат находится в противоречии с постулатом Томсона в формулировке Планка.

Аналогичным образом можно показать, что если нарушается постулат Томсона, то нарушается и постулат Клаузиуса.

Объединяя постулаты Клаузиуса и Томсона, и выходя за рамки тепломеханических процессов, к которым эти постулаты относятся, можно сформулировать следующее положение, которое по сути дела и составляет содержание второго закона термодинамики в его наиболее общей форме: Если в заданной системе какие-либо процессы могут протекать самопроизвольно, то обратные по отношению к ним процессы возможны лишь при условии определенных компенсирующих изменений состояния системы, а протекать самопроизвольно они не могут. Иными словами, все самопроизвольные процессы природы необратимы.

Следует подчеркнуть, что это положение в принципе недоказуемо и лишь обобщает весь накопленный человечеством опыт, а потому и не может быть опровергнуто данными этого опыта.

Возвратимся теперь еще раз к тепломеханическим циклам и рассмотрим их с точки зрения второго закона термодинамики в его общей форме. Превращение работы в тепло может протекать самопроизвольно, следовательно, оно является процессом необратимым. Это означает, что обратное превращение тепла в работу возможно лишь при условии наличия компенсирующего самопроизвольного процесса, каковым и является переход некоторого количества тепла от горячего источника к холодному. С другой стороны, поскольку переход тепла от горячего источника к холодному может протекать самопроизвольно, он тоже является процессом необратимым. Следовательно, обратный переход тепла от холодного источника к горячему возможен лишь при наличии компенсирующего самопроизвольного процесса превращения некоторого количества работы в тепло.

Так разъясняет второй закон термодинамики основные особенности прямых и обратных циклов, рассмотренные в п. 5-2.

Дата добавления: 2014-01-03