Второе начало термодинамики

Возникает вопрос: а нельзя ли построить тепловую машину, которая ВСЮ полученную от нагревателя теплоту превращает в работу, то есть машину с КПД=1 (вечный двигатель второго рода)? Закон сохранения энергии это не запрещает. Обобщение большого экспериментального материала привело к выводу, что это невозможно, – в этом и состоит второе начало термодинамики.

Есть несколько эквивалентных формулировок этого экспериментального закона. Самая простая формулировка уже приведена:

1) Невозможен вечный двигатель II рода.

Или, то же самое, в формулировке Томсона (лорда Кельвина):

2) Невозможен процесс, единственным результатом которого является превращение теплоты, полученной от нагревателя, в эквивалентную ей работу. Под «единственностью результата» подразумевается, что в окружающей среде при этом не происходит никаких изменений.

Теплота и работа не эквивалентны в том смысле, что ВСЯ работа может быть превращена в теплоту, но ВСЯ теплота в работу превращена быть не может.

Формулировка Клаузиуса:

3) Невозможен процесс, единственным результатом которого является передача теплоты от более холодного тела к более нагретому.

Конечно, передать теплоту от более холодного к нагретому можно (иначе не могли бы работать никакие холодильники), но при такой передаче теплоты обязательно приходится совершать работу.

4) Без совершения работы невозможно отбирать теплоту от холодных тел и передавать более нагретым.

5) Теплота сама собой может переходить только от нагретого к холодному.

Очевидно, что последние три формулировки эквивалентны друг другу, а самая последняя формулировка очевидна: она доказывается нашим повседневным опытом. Докажем, что формулировки Томсона и Кельвина эквивалентны. Доказательство от противного: допустим, что теплота Q ₂, отданная холодильнику тепловой машины, без совершения работы передаётся нагревателю. Следовательно, при циклической работе тепловая машина в конце концов это количество теплоты превратит в работу, - получаем вечный двигатель II рода.

Обратимые и необратимые процессы

Термодинамический процесс называется обратимым,если он может проходить как в прямом, так и в обратном направлении; при этом после возвращения системы в исходное состояние в окружающей среде и в самой системе не происходит никаких изменений.

Р авновесный (квазистатический) процесс представляет собой непрерывную последовательность равновесных состояний. Любая точка такого процесса – состояние равновесия, из которого система может идти как в прямом, так и в обратном направлении. Отсюда следует, что любой равновесный процесс обратим.

Только термодинамически равновесные процессы можно изображать графически, потому что для неравновесной системы значение параметров, например, температуры или концентрации, объёму неодинаково, а для всей системы является неопределённой величиной. Процессы, происходящие в таких системах, могут быть изображены графически только приближённо, по усреднённым значениям параметров.

Можно привести пример обратимого процесса из механики – абсолютно упругое соударение. Если заменить переменную времени t на – t, то при абсолютно упругом ударе начальные и конечные скорости тел просто поменяются ролями. Законы Ньютона обратимы.

Обратимые процессы – идеализация. Все реальные процессы в той или иной степени необратимы из-за трения, диффузии, теплопроводности. Все явления переноса – необратимые процессы. Теплота сама собой может переходить только от горячего к холодному, но никогда наоборот. Ещё пример необратимого процесса: абсолютно неупругое соударение, при котором механическая энергия превращается частично или полностью в теплоту.

Обратимые процессы наиболее экономичны, система при таких процессах совершает максимальную работу, а КПД оказывается максимальным.

Билет

Затухающие колебания. Коэффициент затухания, логарифмический декремент затухания. Добротность.