Другий закон термодинаміки

1.3.1. Кругові процеси

Щоб описати усі термодинамічні процеси, першого закону термодинаміки недостатньо. Процес самостійної передачі енергії у вигляді теплоти від менш нагрітого тіла до більш нагрітого тіла не протирічить першому закону термодинаміки, тобто перший закон термодинаміки не виключає можливості такого процесу, результатом якого було б перетворення теплоти, що отримана системою в еквівалентній їй роботі. Можна було б побудувати двигун, який би здійснював роботу за рахунок охолодження одного джерела теплоти іншим, наприклад, за рахунок внутрішньої енергії Світового океану.

Це був би вічний двигун другого роду. Аналіз кругових процесів, що лежать в основі всіх теплових двигунів показує, що побудувати такий двигун – неможливо. Це і є основою другого закону термодинаміки.

Кругові процеси – процеси, в результаті яких системи проходячи ряд проміжних станів повертається в початковий стан – круговий цикл. Ці кругові процеси різні: наприклад, термодинамічний процес називається оберненим, якщо він допускає повернення системи з кінцевого стану в початковий стан без того, щоб в навколишньому середовищі залишились які-небудь зміни. При цьому, проміжні зміни допускаються, але повернення у початковий стан системи і в навколишнє середовище обов’язкове. Всі інші процеси називаються необерненими.

Рис. 1

Якщо система з кінцевого стану В може повертатися в початковий стан А без різниці, таким чином не потребуючи, щоб вона обов’язково проходила ту чи іншу послідовність станів, що і в прямому процесі ( ), то такий процес називається оберненим в широкому змісті слова. Якщо при поверненні системи вона обов’язково повинна проходити ту саму послідовність, що і в прямому процесі , то такий процес - обернений у вузькому змісті слова. Усі квазірівновісні (квазістатичні) процеси є оберненими у вузькому змісті слова.

У випадку обернених процесів над газом, наприклад при розширенні від , виконується робота і при стисканні газу від до , над газом виконується робота . Якщо процес вести за годинниковою стрілкою, то результат роботи – позитивний А>0 і при цьому за першим законом газ в результаті кругового процесу отримує кількість теплоти . Такий процес називається прямим процесом. Якщо процес вести проти годинникової стрілки, то повна робота циклу А<0 і газ буде віддавати теплоту . Такий цикл називається оберненим.

1.3.2. Цикли Карно