Другий закон термодинаміки – фізика

Перший закон термодинаміки не накладає ніяких обмежень на напрями перетворень енергії з одного виду в інший і на напрям переходу теплоти між тілами, вимагаючи тільки збереження повного запасу енергії в замкнутих системах.
Другий закон термодинаміки відображає спрямованість природних процесів і визначає обмеження на можливі напрямки енергетичних перетворень в макроскопічних системах. Як і будь фундаментальний закон, цей закон є узагальненням великої кількості досвідчених фактів.
З повсякденного досвіду добре відомо, що тепло завжди переходить від більш нагрітого тіла до менш нагрітого. У праці “Механічна теорія теплоти” Р. Клаузіус писав: “Різні міркування, що стосуються природи і поведінки теплоти привели мене до переконання, що виявляється <…> прагнення теплоти переходити від більш нагрітих до більш холодним тілам <…> пов’язано так тісно з самої її сутністю, що воно повинно мати силу за всіх обставин. Тому я висунув як принципу наступне твердження: теплота не може переходити сама собою від більш холодного тіла до більш теплого “.
Це твердження, висловлене Р. Клаузиусом, прийнято вважати однією з формулювань другого закону термодинаміки (формулювання Клаузіуса). Досвід підтверджує, що якщо ми приведемо в тепловий контакт два різному нагрітих тіла, то в процесі теплообміну кількість теплоти Q передається від більш нагрітого тіла до менш нагрітого. Причому дуже важливо, що ця передача теплоти йде без жодного втручання зовнішніх тіл, йде мимовільно. У навколишніх (зовнішніх) тілах при цьому ніяких змін не відбувається.
Друге початок термодинаміки в принципі не забороняє переходу теплоти від менш нагрітого тіла до більш нагрітого (саме такий перехід має місце в нашому домашньому холодильнику), однак такий перехід не може бути мимовільним.
Історично відкриття другого закону термодинаміки пов’язане з вивченням питання про максимальне коефіцієнті корисної дії теплових машин. У зв’язку з цим одне з формулювань другого початку належить Томсону (лорд Кельвін). Він стверджував: “Неможливий круговий процес, єдиним результатом якого було б виробництво роботи за рахунок охолодження теплового резервуара”.
Планк, конкретизуючи питання про виробництво роботи, дав своє формулювання другого початку: “Неможливо побудувати періодично діючу машину, єдиним результатом роботи якої було б підняття вантажу за рахунок охолодження теплового резервуара”. Підкреслимо, що у формулюванні Планка особливо істотно, що процес повинен бути періодичним, точно так само як у формулюванні Томсона важливо вказівку на те, що процес має бути круговим.
Особливість використання внутрішньої енергії, зазначена в утвердженні Томсона-Планка, дозволяє зрозуміти, чому деякі джерела енергії, що знаходяться навколо нас, марні.
Неважко оцінити, яким величезним запасом внутрішньої енергії володіє оточує Землю атмосфера, маса якої дорівнює приблизно 1018 кг. Ще більшим запасом внутрішньої енергії володіють моря і океани. Об’єм води в світовому океані перевищує 1370 млн. Км3. Якби шляхом відібрання теплоти і перетворення її в роботу вдалося б знизити температуру всієї океанської води тільки на 0,1º, то можна було б приводити в рух всі механізми на земній кулі протягом 1500 років.
Однак для отримання роботи за рахунок цієї енергії необхідно мати настільки ж гігантський холодильник, який брав би частину цієї величезної кількості теплоти і при цьому не нагрівався сам до температури океану. Очевидно, не може бути використана енергія таких тіл, температура яких дорівнює температурі навколишнього середовища.
Уявний двигун, який міг би працювати, не вступаючи в теплообмін з тілами різної температури, прийнято називати вічним двигуном другого роду (perpetuum mobile) на відміну від вічного двигуна першого роду, існування якого суперечить закону збереження енергії.
Затвердження неможливості існування вічного двигуна другого роду являє собою одну з формулювань другого початку термодинаміки.
На відміну від інших законів природи другий початок термодинаміки має кілька формулювань, що обумовлено існуванням різних необоротних процесів, які пов’язані між собою насамперед тому, що мають спільну природу, обумовлену їх необоротністю.

Посилання на основну публікацію