Часть 2 МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА

Раздел 7 ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ

7.7. Второй принцип термодинамики

Первый принцип термодинамики утверждает, что нельзя создать такую машину, которая бы порождала энергию. Однако он ничего не говорит, например, о такую тепловую машину, которая бы всю теплоту, отобранную в тела, полностью превращала в работу и обходилась, следовательно, без холодильника или любого тела, которое бы заменяло его. (В паровых машинах холодильником есть конденсатор или в менее экономических - атмосферный воздуха.) Если бы это стало практически возможным, то такая машина была бы вечным двигателем второго рода.

Под вечным двигателем второго рода понимают такой тепловой двигатель, который, повторяя произвольное число раз тот самый процесс, был бы способен полностью превратить в работу всю теплоту, поступает от какого-либо тела или тел, которые являются источником теплоты, и при этом обходится без других тел, которые бы отбирали теплоту, превращенную в работу. Если бы с помощью вечного двигателя второго рода мы научились непосредственно превращать полученную от воды океанов теплоту в работу, то океан был бы, по сути, неисчерпаемым источником энергии. Так, при снижении температуры мирового океана лишь на сотую часть градуса энергии, которую бы получили от него, хватило бы для всего человечества на 1700 лет.

Опыт показывает, что описаны вечные двигатели первого и второго рода могут существовать только в человеческой фантазии, реально их быть не может. Попытки построить вечные двигатели заранее обречены на неудачу. Усилия нужно направить не на их, а прежде всего на то, чтобы осознать, почему такие двигатели не могут существовать.

Второй принцип указывает на то, что процесс, при котором происходит переход теплоты в работу, возможен только тогда, когда он компенсируется определенными изменениями термодинамического состояния тел, что берут участие в процессе. Некомпенсированный переход теплоты в работу невозможен. Под компенсацией понимают изменение состояния рабочего тела или какого-либо третьего тела, привлеченного к процессу. Второй принцип несколько ограничивает преобразование одной формы передачи энергии - теплоты - в другую форму передачи энергии - работу. Вследствие этого для понимания сути второго принципа всегда надо рассматривать совокупно по крайней мере три тела: первое - отдает некоторое количество теплоты (отопитель), второе - теплоту отбирает от первого (рабочее тело) и третье - от второго получает энергию в форме работы. Если же нужно, чтобы в конце процесса одно из этих тел (рабочее) вернулось к своему исходному состоянию, то привлекают в процесс еще четвертое тело - холодильник.

Первый принцип термодинамики установил количественную связь между теплотой, работой и внутренней энергией системы, однако ничего не говорит о направлении процесса. Второй принцип термодинамики как раз указывает на направление тепловых процессов. Следовательно, невозможны такие процессы, единственным конечным результатом которых был бы переход некоторого количества теплоты от тела менее нагретого к телу более нагретому. Второй принцип термодинамики можно сформулировать так: «перпетуум мобиле второго рода невозможен.

Теперь рассмотрим такой вопрос: может тепловой двигатель превратить всю переданную ему теплоту в работу, может КПД (коэффициент полезного действия) теплового двигателя равна единице. Пусть рабочим телом будет идеальный газ. Внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры. Следовательно, при изотермическом равновесном расширении идеального газа (пусть газ действует на поршень, под которым он содержится) внутренняя энергия останется неизменной и вся передаваемая теплота преобразуется в работу, совершенную газом при расширении. По первому принципу термодинамики ΔQ = ΔA + ΔU. Если U = const, то увеличение Q приведет к увеличению только А. Однако при использовании газа в качестве рабочего тела в тепловом двигателе после расширения его нужно вернуть до первоначального объема. На это надо затратить непродуктивно часть работы, выполненной газом. Для осуществления этого перехода следует вовлечь в процесс еще третье тело - холодильник, в котором в виде теплоты будет отдана работа, затраченные на сжатие газа. Поэтому второй принцип термодинамики можно сформулировать так: невозможен процесс, единственным результатом которого было бы полное превращение всей теплоты, которую получили от тела, в работу.

Итак, в циклически действующей тепловой машине только часть теплоты от нагревателя, превращается в работу, а вторая часть (и довольно значительная) отдается холодильнике. Поэтому КПД тепловой машины, даже тогда, когда бы она была сконструирована идеально (без потерь на трение), никогда не будет равен единице. КПД тепловой машины зависит от формы цикла и пределов температур, в которых рабочее вещество выполняет цикл. Особенности физической и химической природы рабочего вещества не влияют на КПД. Для тепловых машин является оптимальным цикл, описанный впервые основоположником термодинамики Сади Карно (179G-1832).