Второе начало термодинамики и его следствия

Все явления природы, связанные с превращением энергии имеют необратимый характер. Обобщающим законом необратимости процессов в природе является принцип возрастания энтропии изолированных систем. В основу второго начала термодинамики положен постулат, утверждающих необратимость реальных процессов и имеющий ряд равнозначных формулировок:

· теплота не может самопроизвольно передаваться от холодного тела к более нагретому (Р. Клаузиус, 1850 г.);

· невозможно построить периодически действующую машину, вся деятельность которой сводилась бы к выполнению механической работы и охлаждению теплового источника (В. Томсон – Кельвин, 1852 г.);

· любой реальный самопроизвольный процесс является необратимым
(М. Планк, 1926 г.);

· работа может быть непосредственно и полностью превращена в теплоту путем трения или электронагрева.

Эти формулировки подчеркивают специфичность теплоты при ее превращениях. В теплоту полностью превращаются все виды энергии. Превращения же теплоты всегда сопровождаются процессами, компенсирующими эти превращения. В тепловом двигателе такой компенсацией является передача некоторой части теплоты источнику низшей температуры (холодному источнику); в холодильных машинах такой компенсацией являются затраты работы.

Анализ различных формулировок постулата второго начала термодинамики приводит к некоторым весьма важным следствиям.

Следствие I. Невозможно осуществление полного превращения теплоты работу, т.е. нельзя создать вечный двигатель второго рода (Perpetuum
mobile II рода) с коэффициентом полезного действия равным единице.

Это следствие вытекает из постулата в формулировке Томсона-Кельвина, согласно которой всякий тепловой двигатель должен иметь как минимум два источника теплоты с различной температурой Т₁ и Т₂. Следовательно, всегда ú ç > 0 и поэтому

. (178)

Следствие II. КПД реального теплового двигателя и холодильный коэффициент реальной холодильной машины, в которых осуществляются циклы при температурах внешних источников Т₁ и Т₂, всегда меньше КПД и холодильного коэффициента обратимых тепловых машин, циклы в которых осуществляются между теми же внешними источниками:

h < h _обр ; c < c _обр . (179)

Снижение КПД и холодильного коэффициента реальных тепловых машин по сравнению с h _обр и c _обр обратимой тепловой машины обусловлено прямым превращением части работы в теплоту (необратимые потери работы) и наличием конечной разности температур между внешними источниками теплоты и рабочим телом.

Следствие III. Абсолютный нуль по термодинамической абсолютной шкале температур (шкала Кельвина) недостижим ().

Это следствие вытекает из анализа соотношения по определению КПД цикла Карно (153) и постулата второго начала термодинамики в формулировке Томсона-Кельвина. Поскольку КПД любого теплового двигателя и даже работающего по эталонному циклу Карно всегда меньше 1

, (180)

и в случае, если горячий источник теплоты имеет положительную температуру по термодинамической абсолютной шкале температур (), справедливо утверждение

. (181)