Второе начало термодинамики

Обратимся снова к нашему элементарному циклу. Заметим, что уравнение (6.2) не должно наводить нас на мысль, что мы имеем дело с идеальной системой для преобразования теплоты в работу. Как мы помним, величина Q₁ обозначает теплоту, которую получила наша система при контакте с внешним телом. Из гл. 3 мы знаем, что для подобной теплопередачи необходимо, чтобы температура этого тела была выше температуры газа. Однако затем, когда поршень выдвинулся для понижения температуры газа перед его выпуском мы воспользовались другим телом, которое холоднее газа. Таким образом, в первом случае тело служит источником, а во втором - охладителем, и естественно, что одно и то же тело не может одновременно выполнять эти две функции. Здесь мы в простейшем виде столкнулись с одним из важнейших научных принципов, который называется вторым началом термодинамики. Согласно этому всеобщему закону природы, для реализации любой сложности циклических процессов с целью получения механической работы необходимо наличие источника и охладителя. Вы, наверное, замечали, что все электростанции, большие заводы и т. п. снабжены охлаждающими башнями или другими устройствами для передачи тепла в атмосферу или водоем, например реку (последние выступают здесь в качестве охладителей). По-видимому, впервые существование этого закона природы отметил французский инженер Карно (1824), занимавшийся изучением паровых двигателей. В дальнейшем основные положения этого закона и их математическая формулировка были разработаны такими выдающимися учеными, как Клаузиус (1850), Кельвин (1851), Планк (1897) и Пуанкаре (1908). В нашем рассмотрении мы будем опираться на принципы, установленные Кельвином и Планком. Согласно этим принципам, невозможно создать циклически действующее устройство, которое бы совершало работу при условии, что обмен тепловой энергией осуществляется с одним-единственным телом. Однако, как мы видели, необходимость существования источника и охладителя вытекает из того факта, что теплопередача происходит только в одном направлении: от более горячего тела к более холодному. Это послужило основой известной формулировки второго начала термодинамики, предложенной Клаузиусом.

Из нашего примера следует также, что при передаче энергии теплоте и работе отводятся различные роли. Если мы захотим сначала увеличить внутреннюю энергию газа, то это можно сделать либо путем его нагревания, либо при помощи активного перемешивания. Однако если мы затем захотим уменьшить его внутреннюю энергию, то добиться этого можно только посредством охлаждения газа, поскольку невозможно превратить его внутреннюю энергию в работу, не изменяя границ (положения поршня) системы. Следовательно, определенные изменения в системе могут быть реализованы лишь через механическое воздействие. Это наблюдение послужило основой для иной формулировки второго начала термодинамики, предложенной Каратеодори (1909), которую иногда рассматривают как общую отправную точку в развитии термодинамики.

Эти трактовки второго начала термодинамики недостаточно широко известны, возможно, потому, что ни одна из них не является универсальной. Формулировка, предложенная Клаузиусом, оказывается несколько предпочтительней, по-видимому, вследствие того, что она отражает не формальную сторону происходящих в двигателях процессов, а существенно необратимый характер процессов, протекающих во Вселенной. Здания разрушаются, люди умирают, нагретые тела остывают, а роза никогда не станет вновь бутоном.