Формулировки второго закона термодинамики

Для существования теплового двигателя необходимы два источника — горячий источник и холодный источник (окружающая среда). Если тепловой двигатель работает только от одного источника, то он называется вечным двигателем 2-го рода.

Первая формулировка (Оствальда): «вечный двигатель 2-го рода невозможен».

Вечный двигатель первого рода это тепловой двигатель, у которого L>Q1, где Q1 — подведенная теплота. Первый закон термодинамики «позволяет» возможность создать тепловой двигатель, полностью превращающий подведенную теплоту Q1 В работу L, т. е. L = Q1. Второй закон накладывает более жесткие ограничения и утверждает, что работа должна быть меньше подведенной теплоты (L.

Вечный двигатель 2-го рода можно осуществить, если теплоту Q2 передать от холодного источника к горячему. Но для этого теплота самопроизвольно должна перейти от холодного тела к горячему, что невозможно. Отсюда следует вторая формулировка (Клаузиуса): «теплота не может самопроизвольно переходит от более холодного тела к более нагретому».

Для работы теплового двигателя необходимы два источника — горячий и холодный. Третья формулировка (Карно): «там где есть разница температур, возможно совершение работы».

Все эти формулировки взаимосвязаны, из одной формулировки можно получить другую. Одной из функций состояния термодинамической системы является энтропия. В 1865 году Клаузиус впервые ввел понятие энтропии. Максимальная энтропия означает полное термодинамическое равновесие, что эквивалентно хаосу.

Общий вывод достаточно печален: необратимая направленность процессов преобразования энергии в изолированных системах рано или поздно приведет к превращению всех ее видов в тепловую энергию, которая рассеется, то есть в среднем равномерно распределится между всеми элементами системы, что и будет означать термодинамическое равновесие и хаос. Если Вселенная замкнута, то ее ждет именно такая незавидная участь. Из хаоса, как утверждали греки, она родилась, в хаос же, по предположению классической термодинамики, и возвратится.

Энтропией называется величина, определяемая выражением:

dS = дQ / T. [Дж/К] (7).

или для удельной энтропии:

ds = дq /T [Дж/(кг· К)] (8).

энтропия термодинамика теплота энергия Энтропия есть однозначная функция состояния тела, принимающая для каждого состояния вполне определенное значение. Она является экстенсивным (зависит от массы вещества) параметром состояния и в любом термодинамическом процессе полностью определяется начальным и конечным состоянием тела и не зависит от пути протекания процесса.

Энтропию можно определить как функцию основных параметров состояния:

S = f1(P, V); S = f2(P, T); S = f3(V, T); (9).

или для удельной энтропии:

s = f1(P, v); s = f2(P, T); S = f3(v, T); (10).

Так как энтропия не зависит от вида процесса и определяется начальными и конечными состояниями рабочего тела, то находят только её изменение в данном процессе, по следующим уравнениям:

Дs = cv· ln (T2/T1) + Rм· ln (v2/v1); (11).

Дs = cp· ln (T2/T1) — Rм· ln (P2/P1); (12).

Дs = cv· ln (Р2/Р1) + cр· ln (v 2/v 1). (13).

Если энтропия системы возрастает (Дs > 0), то к системе подводится тепло.

Если энтропия системы уменьшается (Дs < 0), то от системы отводится тепло.

Если энтропия системы не изменяется (Дs = 0, s = сonst), то к системе не подводится и от неё не отводится тепло (адиабатный процесс или изоэнтропный процесс).

Термодинамическим процессом называют переход системы из одного равновесного состояния в другое. Если система в результате совершения нескольких процессов приходит в первоначальное состояние, то говорят, что она совершила замкнутый процесс или цикл. Циклом Карно называется круговой цикл, состоящий из 2-х изотермических (протекающих при постоянной температуре) и из 2-х адиабатных процессов (протекающих без теплообмена с окружающей средой). Обратимый цикл Карно в p-vи T-sдиаграммах показан на рис.1: 1−2 — обратимое адиабатное расширение при s1=сonst[4,c.14]. Температура уменьшается от Т1 до Т2.

• 2−3 — изотермическое сжатие, отвод теплоты q2 к холодному источнику от рабочего тела.
• 3−4 — обратимое адиабатное сжатие при s2=сonst. Температура повышается от Т3 до Т4.
• 4−1 — изотермическое расширение, подвод теплоты q1 к горячего источника к рабочему телу.

Основной характеристикой любого цикла является термический коэффициент полезного действия (т.к.п.д.).

зt = Lц / Qц, (14).

или зt = (Q1 — Q2) / Q1.

Для обратимого цикла Карно термический к.п.д. определяется по формуле:

зtк = (Т1 — Т2) / Т1. (15).

Отсюда следует первая теорема Карно: «термический к.п.д. обратимого цикла Карно не зависит от свойств рабочего тела и определяется только температурами источников».

Из сравнения произвольного обратимого цикла и цикла Карно вытекает 2-я теорема Карно: «обратимый цикл Карно является наивыгоднейшим циклом в заданном интервале температур» [2,c.241].

Следовательно, термический к.п.д. цикла Карно всегда больше термического к.п.д. произвольного цикла:

зtк > зt. (16).

Дальнейшие работы по термодинамике показали, что энтропия имеет глубокий физический смысл. В необратимых процессах она возрастает и достигает максимума, когда система приходит в состояние теплового равновесия. Например, в Солнечной системе, согласно второму закону термодинамики, идут процессы, приводящие к возрастанию энтропии. Происходит рассеяние энергии Солнца, что в конечном итоге приведёт Солнечную систему в состояние теплового равновесия с очень низкой температурой. Клаузиус назвал это явление тепловой смертью Солнечной системы. Он же распространил этот вывод и на всю Вселенную и предсказал тепловую смерть Вселенной. Однако данные астрофизики последних десятилетий показывают, что во Вселенной идут процессы, противоречащие второму закону термодинамики. В отдельных её частях вспыхивают сверхновые звёзды, т. е. идут процессы с уменьшением энтропии, что противоречит второму началу. Следовательно, второй закон термодинамики нельзя распространять на всю Вселенную, как это сделал Клаузиус.