Чи можлива теплопередача від холодного тіла гарячому. Неможлива мимовільна передача теплоти від холодного тіла теплому. (1). Зворотні та незворотні процеси

Існує кілька формулювань другого закону термодинаміки, авторами яких є німецький фізик, механік та математик Рудольф Клаузіус та британський фізик та механік Вільям Томсон, лорд Кельвін. Зовні вони різняться, але суть їх однакова.

Постулат Клаузіуса

Рудольф Юліус Еммануель Клаузіус

Другий закон термодинаміки, як і перший, також виведено досвідченим шляхом. Автором першого формулювання другого закону термодинаміки вважається німецький фізик, механік та математик Рудольф Клаузіус.

« Теплота сама собою не може переходити від тіла холодного до гарячого тіла. ». Це твердження, яке Клазіус назвав « тепловою аксіомою», було сформульовано у 1850 р. у роботі «Про рушійну силу теплоти та про закони, які можна звідси отримати для теорії теплоти».«Саме собою теплота передається лише від тіла з вищою температурою до тіла з меншою температурою. У зворотному напрямку мимовільна передача теплоти неможлива». Такий сенс постулату Клаузіуса , Що визначає суть другого закону термодинаміки

Зворотні та незворотні процеси

Перший закон термодинаміки показує кількісний зв'язок між теплотою, отриманою системою, зміною її внутрішньої енергії та роботою, проведеною системою над зовнішніми тілами. Але він не розглядає напрямок передачі теплоти. І можна припустити, що теплота може передаватися як від гарячого тіла до холодного, і навпаки. Тим часом насправді це не так. Якщо два тіла перебувають у контакті, то теплота завжди передається від нагрітого тіла до менш нагрітого. Причому цей процес відбувається сам собою. При цьому в зовнішніх тілах, що оточують ті, що контактують, ніяких змін не виникає. Такий процес, який відбувається без роботи ззовні (без втручання зовнішніх сил), називається мимовільним . Він може бути оборотнимі незворотнім.

Мимоволі остигаючи, гаряче тіло передає свою теплоту навколишнім більш холодним тілам. І ніколи само собою холодне тіло не стане гарячим. Термодинамічна система у разі неспроможна повернутися у початковий стан. Такий процес називається незворотнім . Необоротні процеси протікають лише одному напрямку. Практично все мимовільні процесиу природі незворотні, як незворотний час.

Оборотним називається термодинамічний процес, при якому система переходить з одного стану в інший, але може повернутися у вихідний стан, пройшовши у зворотній послідовності через проміжні рівноважні стани. При цьому всі параметри системи відновлюються до початкового стану. Оборотні процеси дають найбільшу роботу. Однак насправді їх не можна здійснити, до них можна тільки наблизитися, тому що вони протікають нескінченно повільно. Насправді такий процес складається з безперервних послідовних станів рівноваги і називається квазістатичним. Усі квазістатичні процеси є оборотними.

Постулат Томсона (Кельвіна)

Вільм Томсон, лорд Кельвін

Найважливіше завдання термодинаміки – отримання за допомогою тепла найбільшої кількості роботи. Робота легко перетворюється на теплоту повністю без будь-якої компенсації, наприклад, за допомогою тертя. Але зворотний процес перетворення теплоти на роботу відбувається не повністю і неможливий без отримання додаткової енергії ззовні.

Потрібно сказати, що передача теплоти від холоднішого тіла до теплішого можлива. Такий процес відбувається, наприклад, у нашому домашньому холодильнику. Але він не може бути мимовільним. Для того щоб він протікав, необхідно наявність компресора, який переганятиме таке повітря. Тобто для зворотного процесу (охолодження) потрібно підведення енергії ззовні. « Неможливий перехід теплоти від тіла з нижчою температурою без компенсації ».

У 1851 р. інше формулювання другого закону дав британський фізик та механік Вільям Томсон, лорд Кельвін. Постулат Томсона (Кельвіна) каже: "Неможливий круговий процес, єдиним результатом якого було б проведення роботи за рахунок охолодження теплового резервуару" . Тобто, не можна створити двигун, що циклічно працює, в результаті дії якого проводилася б позитивна робота за рахунок його взаємодії лише з одним джерелом теплоти. Адже якби це було можливо, тепловий двигун міг би працювати, використовуючи, наприклад, енергію Світового океану та повністю перетворюючи її на механічну роботу. Внаслідок цього відбувалося б охолодження океану рахунок зменшення енергії. Але як тільки його температура виявилася б нижчою за температуру навколишнього середовища, мав би відбуватися процес мимовільної передачі тепла від холоднішого тіла до гарячішого. А такий процес неможливий. Отже, для роботи теплового двигуна необхідно хоча б два джерела теплоти, що мають різну температуру.

Вічний двигун другого роду

У теплових двигунах теплота перетворюється на корисну роботу тільки при переході від нагрітого тіла до холодного. Щоб такий двигун функціонував, у ньому створюється різниця температур між тепловіддавачем (нагрівачем) та теплоприймачем (холодильником). Нагрівач передає теплоту робочому тілу (наприклад, газу). Робоче тіло розширюється та здійснює роботу. При цьому не вся теплота перетворюється на роботу. Частина її передається холодильнику, а частина, наприклад, просто йде в атмосферу. Потім, щоб повернути параметри робочого тіла до початкових значень і почати цикл спочатку, робоче тіло потрібно нагріти, тобто від холодильника необхідно відібрати теплоту і передати її нагрівачу. Це означає, що потрібно передати теплоту від холодного тіла до теплішого. І якби цей процес можна було здійснити без підведення енергії ззовні, ми б отримали вічний двигун другого роду. Але оскільки, згідно з другим законом термодинаміки, зробити це неможливо, то неможливо і створити вічний двигун другого роду, який би повністю перетворював теплоту на роботу.

Еквівалентні формулювання другого закону термодинаміки:

1. Неможливий процес, єдиним результатом якого є перетворення на роботу всієї кількості теплоти, отриманої системою.
2. Неможливо створити вічний двигун другого роду.

Принцип Карно

Ніколя Леонар Саді Карно

Але якщо неможливо створити вічний двигун, можна організувати цикл роботи теплового двигуна таким чином, щоб ККД (коефіцієнт корисної дії) був максимальним.

У 1824 р., задовго до того, як Клаузіус і Томсон сформулювали свої постулати, що дали визначення другого закону термодинаміки, французький фізик і математик Ніколя Леонар Саді Карно опублікував свою роботу. «Роздуми про рушійну силу вогню і про машини, здатні розвивати цю силу». У термодинаміці її вважають основною. Вчений зробив аналіз існуючих на той час парових машин, ККД яких був лише 2%, і описав роботу ідеальної теплової машини.

У водяному двигуні вода здійснює роботу, падаючи з висоту вниз. За аналогією Карно припустив, що теплота може виконувати роботу, переходячи від гарячого тіла до холоднішого. Це означає, що для того щобтеплова машина працювала, у ній має бути 2 джерела тепла, що мають різну температуру. Це твердження називають принципом Карно . А цикл роботи теплової машини, створеної вченим, отримав назву циклу Карно .

Карно вигадав ідеальну теплову машину, яка могла здійснювати максимально можливу роботу за рахунок теплоти, що підводиться до неї.

Теплова машина, описана Карно, складається з нагрівача, що має температуру. Т Н , робочого тіла та холодильника з температурою Т Х .

Цикл Карно є круговим оборотним процесом і включає 4 стадії - 2 ізотермічні і 2 адіабатичні.

Перша стадія А→Б ізотермічна. Вона проходить при однаковій температурі нагрівача та робочого тіла Т Н . Під час контакту кількість теплоти Q H передається від нагрівача робочому тілу (газу в циліндрі). Газ ізотермічно розширюється та здійснює механічну роботу.

Для того щоб процес був циклічним (безперервним), газ потрібно повернути до вихідних параметрів.

На другій стадії циклу Б→В робоче тіло та нагрівач роз'єднуються. Газ продовжується розширюватися адіабатично, не обмінюючись теплом з довкіллям. При цьому його температура знижується до температури холодильника Т Х , і він продовжує виконувати роботу.

На третій стадії В→Г робоче тіло, маючи температуру Т Х , що знаходиться в контакті з холодильником. Під дією зовнішньої силивоно ізотермічно стискається та віддає теплоту величиною Q Х холодильнику. Над ним відбувається робота.

На четвертій стадії Г→А робоче тіло роз'єднаються з холодильником. Під дією зовнішньої сили воно адіабатично стискується. Над ним відбувається робота. Його температура стає рівною температурі нагрівача Т Н .

Робоче тіло повертається у початковий стан. Круговий процес закінчується. Починається новий цикл.

Коефіцієнт корисної дії тілової машини, що працює за циклом Карно, дорівнює:

ККД такої машини залежить від її пристрою. Він залежить лише від різниці температур нагрівача та холодильника. І якщо температура холодильника дорівнює абсолютному нулю, то ККД дорівнюватиме 100%. Досі ніхто не зміг вигадати нічого кращого.

На жаль, на практиці таку машину збудувати неможливо. Реальні оборотні термодинамічні процеси можуть лише наближатися до ідеальних з тим чи іншим ступенем точності. Крім того, у реальній тепловій машині завжди будуть теплові втрати. Тому її ККД буде нижче за ККД ідеального теплового двигуна, що працює за циклом Карно.

На основі циклу Карно побудовано різні технічні пристрої.

Якщо цикл Карно провести навпаки, то вийде холодильна машина. Адже робоче тіло спочатку забере тепло від холодильника, потім перетворить на тепло роботу, витрачену створення циклу, та був віддасть це тепло нагрівачеві. За таким принципом працюють холодильники.

Зворотний цикл Карно також лежить в основі теплових насосів. Такі насоси переносять енергію від джерел низької температури до споживача з вищою температурою. Але, на відміну від холодильника, в якому теплота, що відбирається, викидається в навколишнє середовище, в тепловому насосі вона передається споживачеві.

« Фізика – 10 клас»

Чи дозволяє перший закон термодинаміки мимовільний перехід тепла від менш нагрітого тіла до більш нагрітого?
Чи спостерігаються такі процеси у природі?

Ми вже зазначали, що перший закон термодинаміки – це окремий випадок закону збереження енергії.

Закон збереження енергії стверджує, що кількість енергії за будь-яких її перетвореннях залишається незмінною. Тим часом багато процесів, цілком допустимих з погляду закону збереження енергії, ніколи не протікають насправді.

Наприклад, з погляду першого закону термодинаміки в ізольованій системі можливий перехід тепла від менш нагрітого тіла до більш нагрітого, якщо кількість теплоти, отриманої гарячим тілом, дорівнює кількості теплоти, відданої холодним тілом. У той же час, наш досвід підказує, що це неможливо.

Перший закон термодинаміки не вказує напрямок процесів.

Другий закон термодинаміки.

Другий закон термодинаміки вказує напрям можливих енергетичних перетворень, т. е. напрям процесів, і цим висловлює незворотність процесів у природі. Цей закон було встановлено шляхом безпосереднього узагальнення дослідних фактів.

Є кілька формулювань другого закону, які, незважаючи на зовнішню різницю, виражають, по суті, одне й те саме і тому рівноцінні.

Німецький вчений Р. Клаузіус (1822-1888) сформулював цей закон так:

Неможливо перевести тепло від холоднішої до гарячішої за відсутності інших одночасних змін в обох системах або в навколишніх тілах.

Тут констатується досвідчений факт певної спрямованості теплопередачі: тепло само собою переходить завжди від гарячих тіл до холодних. Правда, в холодильних установках здійснюється теплопередача від холодного тіла до теплішого, але ця передача пов'язана з іншими змінами в навколишніх тілах: охолодження досягається за рахунок роботи.

Важливість цього закону в тому, що з нього можна вивести висновок про незворотність як процесу теплопередачі, а й інших процесів у природі.

Розглянемо приклад. Коливання маятника, виведеного з положення рівноваги, згасають (рис. 13.12) 1, 2, 3, 4 – послідовні положення маятника при максимальних відхиленнях від положення рівноваги. За рахунок роботи сил тертя механічна енергія маятника зменшується, а температура маятника та навколишнього повітря (а отже, і їхня внутрішня енергія) злегка підвищується.

Можна збільшити розмах коливань маятника, підштовхнувши його рукою. Але це збільшення виникає не саме собою, а стає можливим у результаті складнішого процесу, що включає рух руки.

Механічна енергія спонтанно переходить у внутрішню, але не навпаки. При цьому енергія впорядкованого руху тіла як цілого перетворюється на енергію невпорядкованого теплового руху складових його молекул.

Ще один приклад – процес дифузії. Відкривши бульбашку з духами, ми швидко відчуємо запах парфумів. Молекули ароматичної речовини завдяки тепловому руху проникають у простір між молекулами повітря. Важко уявити, щоб усі вони знову зібралися у бульбашці.

Число подібних прикладів можна збільшувати практично необмежено. Всі вони говорять про те, що процеси в природі мають певну спрямованість, що ніяк не відображена в першому законі термодинаміки.

Усі макроскопічні процеси у природі протікають лише одному визначеному напрямі.

У зворотному напрямку вони спонтанно протікати не можуть. Усі процеси у природі незворотні.

Раніше при розгляді процесів ми припускали, що вони є оборотними.

Оборотний процес - це процес, який можна провести у прямому та зворотному напрямках через одні й ті ж проміжні стани без змін в навколишніх тілах.

Оборотний процес повинен протікати дуже повільно, щоб кожен проміжний стан був рівноважним.

Рівноважний стан- це стан, у якому температура і тиск у всіх точках системи однакові.

Отже, щоб система прийшла в рівноважний стан, потрібен час.

При вивченні ізопроцесів ми припускали, що перехід з початкового стану в кінцевий проходить через рівноважні стани, і вважали ізотермічний, ізобарний та ізохорний процеси оборотними.

Ідеальних оборотних процесів у природі не існує, проте реальні процесиможна з певною мірою точності розглядати як оборотні, що є дуже важливим для теорії.

Яскравою ілюстрацією незворотності явищ у природі є перегляд фільму у напрямі.
Наприклад, стрибок у воду буде виглядати так. Спокійна вода в басейні починає вирувати, з'являються ноги, що стрімко рухаються вгору, а потім і весь пірнальник. Поверхня води швидко заспокоюється. Поступово швидкість нирця зменшується, і ось уже він спокійно стоїть на вежі.

Такий процес, як піднесення нирця на вежу з води, не суперечить ні закону збереження енергії, ні законам механіки, ні взагалі будь-яким законам, крім другого закону термодинаміки.

Жодний двигун не може перетворювати теплоту в роботу зі стовідсотковою ефективністю. (2) у замкнутій системі ентропія не може зменшуватися. (3).

Природним процесам властива спрямованість і незворотність, однак у більшості законів, описаних у цій книзі, це не знаходить відображення – принаймні явного. Розбити яйця і зробити яєчню не складно, відтворити сирі яйця з готової яєчні - неможливо
. Запах із відкритого флакона парфумів наповнює кімнату - проте назад у флакон його не збереш. І причина такої незворотності процесів, що відбуваються у всесвіті, криється в другому початку термодинаміки, який, при всій його простоті, є одним з найважчих і часто невірно розуміються законів класичної фізики.

Насамперед, цей закон має як мінімум три рівноправні формулювання, запропоновані в різні рокифізиками різних поколінь. Може здатися, що з-поміж них немає нічого спільного, проте вони логічно еквівалентні між собою. З будь-якого формулювання другого початку математично виводяться дві інші.

Ми почнемо з першого формулювання, що належить німецькому фізику Рудольфу клаузіусу. теплішого тіла (повітря) передасться холоднішому (кубику льоду. З точки зору закону збереження енергії, немає причин для того, щоб теплова енергія передавалася саме в такому напрямку: навіть якби лід ставав все холоднішим, а повітря все теплішим, закон збереження енергії все одно б виконувався. Той факт, що цього не відбувається, якраз і свідчить про спрямованість фізичних процесів, що вже згадувалася.

Чому саме так взаємодіють лід та повітря, ми можемо легко пояснити, розглядаючи цю взаємодію на молекулярному рівні. З молекулярно - кінетичної теоріїми знаємо, що температура відбиває швидкість руху молекул тіла - що швидше вони рухаються, то вище температура тіла. Отже, молекули повітря рухаються швидше за молекули води в кубику льоду. При зіткненні молекули повітря з молекулою води лежить на поверхні льоду, як підказує нам досвід, швидкі молекули, у середньому, уповільнюються, а повільні прискорюються. Таким чином, молекули води починають рухатися все швидше, або, що те саме, температура льоду підвищується. Саме це ми маємо на увазі, коли кажемо, що тепло передається від повітря до льоду. І в рамках цієї моделі перше формулювання другого початку термодинаміки логічно випливає із поведінки молекул.

При переміщенні будь-якого тіла на будь-яку відстань під дією певної сили відбувається робота, і різні форми енергії якраз і виражають здатність системи зробити певну роботу. Оскільки теплота, що відображає кінетичну енергію молекул, є однією з форм енергії, вона теж може бути перетворена в роботу. Але знову ми маємо справу з спрямованим процесом. Перевести роботу в теплоту можна зі стовідсотковою ефективністю - ви робите це щоразу, коли натискаєте на педаль гальма у своєму автомобілі: вся кінетична енергія руху вашого автомобіля плюс витрачена вами енергія сили натискання на педаль через роботу вашої ноги та гідравлічної системи гальм повністю перетворюється на тепло , Що виділяється в процесі тертя колодок про гальмівні диски Друге формулювання другого початку термодинаміки стверджує, що зворотний процес неможливий. Скільки не намагайтеся всю теплову енергію перетворити на роботу – теплові втрати у навколишнє середовище неминучі.

Проілюструвати друге формулювання у дії нескладно. Уявіть циліндр двигуна внутрішнього згоряння вашого автомобіля. У нього впорскується високооктанова паливна суміш, яка стискається поршнем до високого тиску, після чого вона запалюється в малому зазорі між головкою блоку циліндрів і щільно пригнаним до стінок циліндра поршнем, що вільно ходить. При вибуховому згоранні суміші виділяється значна кількість теплоти у вигляді розпечених і розширюваних продуктів згоряння, тиск яких штовхає поршень вниз. В ідеальному світі ми могли б досягти ккд використання теплової енергії, що виділилася на рівні 100%, повністю перевівши її в механічну роботу поршня.

У реальному світініхто і ніколи не збере такого ідеального двигуна з двох причин. По-перше, стінки циліндра неминуче нагріваються в результаті горіння робочої суміші, частина теплоти втрачається вхолосту і відводиться через систему охолодження в навколишнє середовище. По-друге, частина роботи неминуче йде на подолання сили тертя, в результаті чого, знову ж таки, нагріваються стінки циліндрів - ще одна теплова втрата (навіть при найкращому моторному маслі. По-третє, циліндру потрібно повернутися до вихідної точки стиснення, а це також робота з подолання тертя з виділенням теплоти, витрачена вхолосту.

Таке трактування другого початку термодинаміки закладено в принципі Карно, який названо так на честь французького військового інженера Саді Карно. Вона сформульована раніше за інших і мала величезний вплив на розвиток інженерної техніки на багато покоління вперед, хоча й носить прикладний характер. Величезне значення вона набуває з погляду сучасної енергетики – найважливішої галузі будь-якої національної економіки. Сьогодні, стикаючись з дефіцитом паливних ресурсів, людство, проте, змушене миритися з тим, що ккд, наприклад, ТЭЦ, що працюють на вугіллі або мазуті, не перевищує 30-35% - тобто дві третини палива спалюється марно, точніше витрачається на підігрів атмосфери - і це перед загрозою глобального потепління. Ось чому сучасні ТЕК легко впізнати по колосальних вежах - градирнях - саме в них остуджується вода, що охолоджує турбіни електрогенераторів, і надлишки теплової енергії викидаються в навколишнє середовище. І така низька ефективність використання ресурсів - не вина, а біда сучасних інженерів - конструкторів: вони і без того вичавлюють близько до максимуму того, що дозволяє цикл Карно. Ті ж, хто заявляє, що знайшов рішення, що дозволяє різко скоротити теплові втрати енергії (наприклад, сконструював вічний двигун), тим самим стверджують, що вони перехитрили другий початок термодинаміки. З тим же успіхом вони могли б стверджувати, що знають, як зробити так, щоб кубик льоду в раковині не танув. кімнатній температуріа, навпаки, ще більше охолоджувався, нагріваючи при цьому повітря.

Третє формулювання другого початку термодинаміки, що приписується зазвичай австрійському фізику Людвігу Больцману (див. Постійна Больцмана), мабуть, найбільш відома. Ентропія – це показник невпорядкованості системи. Чим вища ентропія - тим хаотичніший рух матеріальних частинок, що становлять систему. Больцман вдалося розробити формулу для прямого математичного опису ступеня впорядкованості системи. Погляньмо, як вона працює, на прикладі води. У рідкому стані вода є досить невпорядкованою структурою, оскільки молекули вільно переміщуються один щодо одного, і просторова орієнтація у них може бути довільною. Інша справа крига - в ній молекули води впорядковані, будучи включеними в кристалічні ґрати. Формулювання другого початку термодинаміки Больцмана, умовно кажучи, свідчить, що лід, розтанутий і перетворившись на воду (процес, що супроводжується зниженням ступеня впорядкованості та підвищенням ентропії), сам по собі ніколи з води не відродиться. І знову ми приклад незворотного природного фізичного явища бачимо.

Тут важливо розуміти, що не йдеться про те, що в цьому формулюванні другий початок термодинаміки проголошує, що ентропія не може знижуватися ніде і ніколи. Зрештою, розтоплений лід можна помістити назад у морозильну камеру і знову заморозити. Сенс у цьому, що ентропія неспроможна зменшуватися в замкнутих системах - тобто, в системах, які отримують зовнішньої енергетичної підживлення. Працюючий холодильник не є ізольованою замкнутою системою, оскільки він підключений до мережі електроживлення і отримує енергію ззовні - зрештою, від електростанцій, що її виробляють. В даному випадку замкнутою системою буде холодильник плюс проводка плюс місцева трансформаторна підстанція плюс єдина мережа енергопостачання плюс електростанції. І оскільки зростання ентропії в результаті безладного випаровування з градирень електростанції багаторазово перевищує зниження ентропії за рахунок кристалізації льоду у вашому холодильнику, другий початок термодинаміки жодною мірою не порушується.

А це, я вважаю, призводить ще до одного формулювання другого початку: холодильник не працює, якщо він не включений до розетки. Джеймс Трефіл, "природа науки. 200 законів світобудови".

• · Постулат Клаузіуса: «Неможливий процес, єдиним результатом якого була б передача тепла від холоднішого тіла до гарячішого»(Такий процес називається процесом Клаузіуса).
• · Постулат Томсона (Кельвіна): "Неможливий круговий процес, єдиним результатом якого було б проведення роботи за рахунок охолодження теплового резервуару"(Такий процес називається процесом Томсона).

Еквівалентність цих формулювань легко показати. Справді, припустимо, що постулат Клаузіуса невірний, тобто існує процес, єдиним результатом якого була б передача тепла від холоднішого тіла до гарячішого. Тоді візьмемо два тіла з різною температурою(нагрівач та холодильник) і проведемо кілька циклів теплової машини, забравши тепло у нагрівача, віддавши холодильнику і здійснивши при цьому роботу

Після цього скористаємося процесом Клаузіуса та повернемо тепло від холодильника нагрівачеві. В результаті виходить, що ми зробили роботу тільки за рахунок від'єму теплоти від нагрівача, тобто постулат Томсон теж невірний.

З іншого боку, припустимо, що невірний постулат Томсона. Тоді можна відібрати частину тепла у холоднішого тіла і перетворити на механічну роботу. Цю роботу можна перетворити на тепло, наприклад, за допомогою тертя, нагріваючи гаряче тіло. Отже, з невірності постулату Томсона випливає невірність постулату Клаузіуса.

Таким чином, постулати Клаузіуса та Томсона еквівалентні.

Інше формулювання другого початку термодинаміки ґрунтується на понятті ентропії:

· «Ентропія ізольованої системи неспроможна зменшуватися» (закон невтрати ентропії).

Таке формулювання ґрунтується на уявленні про ентропію як про функцію стану системи, що також має бути постульовано.

Другий початок термодинаміки в аксіоматичному формулюванні Рудольфа Юліуса Клаузіуса (R. J. Clausius, 1865) має такий вигляд:

Для будь-якої квазірівноважної термодинамічної системи існує однозначна функція термодинамічного стану

звана ентропією, така, що її повний диференціал

У стані з максимальною ентропією макроскопічні незворотні процеси (а процес передачі тепла завжди є незворотним через постулат Клаузіуса) неможливі.

Обмеження виведення формули для диференціала ентропії, даного Клаузіусом, полягають у припущенні про ідеальність газу, властивості якого призводять до існування інтегруючого множника. Цей недолік був усунений Каратеодорі у роботі "Про основи термодинаміки" (1909). Каратеодорі розглядав безліч станів, досяжних адіабатичним шляхом (тобто без теплообміну з довкіллям). Рівняння, що описує таку множину цих станів у диференціальній формі, є пфаффової формою. Використовуючи відомі з аналізу умови інтегрованості пфаффових форм, Каратеодорі прийшов до наступного формулювання другого закону:

· В околиці будь-якого стану системи існують стани, які не досяжні адіабатичним шляхом.

Така постановка не обмежує системи, що підкоряються другому закону термодинаміки, лише ідеальними газами та тілами, здатними здійснювати замкнутий цикл під час взаємодії з ними. Фізичний змістАксіоми Каратеодорі повторює формулювання Клаузіуса.

Другий закон пов'язані з поняттям ентропії, що є мірою хаосу (чи мірою порядку).Другий закон термодинаміки говорить, що для всесвіту загалом ентропія зростає.

Існує два класичні визначення другого закону термодинаміки:

· Кельвіна та Планка

Не існує циклічного процесу, який отримує кількість теплоти з резервуара при певній температурі і повністю перетворює цю теплоту на роботу. (Неможливо побудувати машину, що періодично діє, яка не виробляє нічого іншого, крім підняття вантажу та охолодження резервуара теплоти)

· Клаузіуса

Немає процесу, єдиним результатом якого є передача кількості теплоти від менш нагрітого тіла до більш нагрітого. (Неможливий круговий процес, єдиним результатом якого було б виконання роботи за рахунок охолодження теплового резервуара)

Обидва визначення другого закону термодинаміки спираються на перший закон термодинаміки, який стверджує, що енергія зменшується.

> Другий закон термодинаміки

Формулювання другого закону термодинаміки простими словами: процес теплообміну, ентропія та температура, зв'язок з першим законом термодинаміки, формула.

Згідно з другим законом термодинаміки, теплообмін здійснюється спонтанно від вищих до низьких температур.

Завдання навчання

• Порівняти незворотність між першим та другим законами термодинаміки.

Основні пункти

• Багато допущених у першому законі явища не зустрічаються насправді.
• Більшість процесів відбуваються спонтанно щодо одного напрямі. Другий закон пов'язаний із напрямком.
• Немає жодної можливості транспортувати тепло від холодного до нагрітого тіла.

Терміни

• Ентропія – міра поширеності рівномірної енергії у системі.
• Перший закон термодинаміки - енергетичне заощадження в термодинамічних системах (U = Q - W).

Необоротність

Вивчимо формулювання другого закону термодинаміки простими словами. Другий закон термодинаміки пов'язаний із напрямком, що відноситься до спонтанних процесів. Більшість із них відбуваються спонтанно і виключно в одному напрямку (вони незворотні). Необоротність часто зустрічається у побуті (розбита ваза). Такий процес покладається на шлях. Якщо він проходить лише в одному напрямку, то не можна повернути назад.

Наприклад, передача тепла походить від нагрітого тіла до прохолодного. Холодне тіло при контакті з гарячим ніколи не знизить своєї температури. Більше того, кінетична енергія може стати тепловою, але не навпаки. Це також можна розглянути на прикладі розширення затягування газу, що введена в кут вакуумної камери. Газ розширюється, намагаючись заповнити собою простір, але він ніколи не триматиметься виключно у кутку.

(а) – Теплообмін здійснюється спонтанно від гарячого до прохолодного, а чи не навпаки. (b) – Гальма машини трансформують кінетичну енергію на теплопередачу. (с) – Газовий спалах, запущений у вакуумну камеру, швидко розширюється, щоб рівномірно заповнити собою весь простір. Випадкове переміщення молекул ніколи не змусить його сконцентруватися в єдиному кутку

Другий закон термодинаміки

Якщо є процеси, які не можуть повернути назад, існує закон, що наклав на це заборону. Цікаво, що перший закон припускає подібне, але жоден процес не порушує збереження енергії. Головний закон – другий. Він розкриває уявлення про природу та деякі твердження кардинально впливають на багато важливих питань.

Відповідно до другого закону термодинаміки теплообмін здійснюється спонтанно від тіл із вищими температурними показниками до низьких. Але ніколи навпаки.

Закон також говорить, що жоден із процесів не може в результаті отримати передачу тепла від холодного тіла до гарячого.