Второе начало термодинамики. Еще до возникновения статистической термодинами­ки и даже до перехода к молекулярно-кинетическим пред­ставлениям о природе теплоты были известны два основ­ных

Еще до возникновения статистической термодинами­ки и даже до перехода к молекулярно-кинетическим пред­ставлениям о природе теплоты были известны два основ­ных закона термодинамики, которые обобщали извест­ные к тому времени опытные факты. Один их них — первое начало термодинамики — является фактически законом сохранения энергии и формулируется следую­щим образом: количество теплоты Q, сообщенное системе (например, газу), равно сумме приращения ее внутренней энергии ΔU и совершенной механической работы A

Q = ΔU+A. (1.3)

Этот закон, однако, ничего не говорит о направлении протекания тепловых процессов. Например, ему не про­тиворечит замерзание некоторого объема воды, помещен­ного в раскаленную печку. Чтобы понять, о чем идет речь, ответим на следующий вопрос. Пусть два тела, обладаю­щие внутренними энергиями 100 Дж и 1 Дж соответст­венно, приведены в тепловой контакт друг с другом. Что будет дальше: перейдет ли часть энергии от первого тела ко второму, или от второго тела к первому, или никакого перераспределения энергии между телами не произой­дет? Любой «сценарий» поведения не противоречит пер­вому началу термодинамики (1.3) и, в принципе, может быть реализован. Все определяется не внутренними энергиями, а температурами тел. Если они различны, то энер­гия перейдет от более горячего тела к более холодному. Если температуры одинаковы, то внутренние энергий тел не изменятся.

Необратимость тепловых процессов отражает специ­альный закон — второе начало термодинамики, имею­щий несколько эквивалентных (то есть вытекающих одна из другой) формулировок. Одну из них мы уже привели: тепло не может самопроизвольно перетекать от холодного тела к горячему.

Другая формулировка — нельзя постро­ить вечный двигатель второго рода, который совершал бы полезную работу только за счет охлаждения теплового ре­зервуара — имеет большое общенаучное значение и тре­бует обсуждения проблемы преобразования теплоты в ме­ханическую работу.

Для преобразования теплоты в меха­ническую работу служат тепловые двигатели, или тепловые машины. Для работы теплового двигателя обязательно нужно, чтобы где-то в одном месте была более высокая температура, а в другом — более низкая. Но что же это значит? Если в термодинамической системе (а тепловая машина — это система, включающая рабочее тело, холо­дильник и нагреватель) разные части имеют разные тем­пературы, то такая система, по определению, находится в неравновесном состоянии. В процессе работы тепловой машины происходит выравнивание температур, в резуль­тате чего система переходит в равновесное состояние, при котором все части системы имеют одинаковую температу­ру. А в состоянии равновесия тепловая машина работать не может!

Таким образом, макроскопическая работа может со­вершаться только в процессе перехода из неравновесного в равновесное состояние. Чтобы совершать механическую работу, надо постоянно поддерживать неравновесное со­стояние в системе. Этот вывод имеет огромное значение не только для термодинамики, но и для всей физики, для всего естествознания и даже для социально-экономиче­ских процессов в обществе. Например, гидроэлектростан­ция может работать только в том случае, когда вода из верхнего резервуара переливается в нижний. Когда уров­ни воды в этих резервуарах сравняются, турбины гидро­электростанции остановятся, хотя в воде по-прежнему за­пасена огромная потенциальная энергия. Стоит только слить воду из нижнего водохранилища, то есть снова соз­дать разность уровней воды, как вода из верхнего резер­вуара начнет вращать турбины. Еще один пример из об­ласти электричества. Ток в электрической цепи может течь и совершать полезную работу (например, вращать двигатель электромотора), только если имеется разность потенциалов (напряжение), которое обусловлено неравно­весным состоянием электрических зарядов. В состоянии равновесия, когда, прежде разделенные, положительные и отрицательные заряды объединились, разность потен­циалов становится равной нулю, ток не течет и работа не совершается.

Итак, второе начало термодинамики утверждает, что полезная работа может совершаться только системами, находящимися в неравновесном состоянии, характери­зующемся разными температурами, электрическими по­тенциалами и т. п. При переходе в равновесное состояние такие системы теряют способность совершать макроско­пическую работу.

Поиск по сайту: