Термодинамические формулировки второго начала термодинамики

Второе начало термодинамики определяет возможные направления процессов превращения энергии из одного вида в другой. Также как ипервое начало, оно имеет несколько формулировок. Одна из формулировок связана с понятием энтропии:

Энтропия изолированной системы не может уменьшаться.

Клаузиус в 1850 г. дал следующую формулировку:

Теплота не может самопроизвольно переходить от тела менее нагретого к телу более нагретому.

Под теплотой здесь надо понимать внутреннюю энергию тела. Постулат Клаузиуса никоим образом не сводится к утверждению, что при непосредственном тепловом контакте двух тел теплота всегда переходит от тела более нагретого к телу менее нагретому. Это утверждение вообще не составляет содержания физического закона, а является просто определением того, какое из двух тел условились называть более, а какое менее нагретым. Передачу тепла (точнее, внутренней энергии) можно осуществить не только тепловым контактом, но и бесчисленным множеством других способов. Например, все тела излучают и поглощают видимые или невидимые лучи (электромагнитные волны). Излучение одного тела можно с помощью линзы или сферического зеркала сконцентрировать на другом теле и таким путем передать ему тепло. Однако не всякая передача возможна. Содержание постулата Клаузиуса как раз и состоит в том, что невозможно каким бы то ни было способом забрать тепло от тела менее нагретого, целиком передать его телу более нагретому и притом так, чтобы в природе больше не произошло никаких изменений. Любой воображаемый процесс, в котором осуществляется такая передача тепла, называется процессом Клаузиуса. Таким образом, постулат утверждает, что процесс Клаузиуса невозможен.

Другая формулировка постулата Клаузиуса:

Невозможен процесс, единственным конечным результатом которого была бы передача тепла от менее нагретого тела к более нагретому.

Это означает, что второе начало не запрещает переход тепла от тела, менее нагретого, к телу, более нагретому. Такой переход возможен, но он не будет единственным результатом процесса. Это значит, что одновременно произойдут изменения в окружающих телах, так как для осуществления этого перехода над системой должна совершиться работа.

Постулат Кельвина:

Невозможен такой процесс, единственным конечным результатом которого явилось бы отнятие от какого-то тела некоторого количества теплоты и превращение этой теплоты полностью в работу.

Рассмотрим, например, расширение газа при постоянной температуре. По первому началу термодинамики Q = ΔU + A. Поскольку внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры, значит ΔU = 0. Получается, что все полученное тепло перешло в работу: Q = A. Но получение тепла и превращение его в работу не единственный конечный результат процесса. Кроме того, в результате изотермического процесса происходит изменение объема газа. На основе такого процесса невозможно сделать периодически действующий двигатель.

Периодически действующий двигатель, который основан на первом начале термодинамики и совершает работу за счет охлаждения одного источника тепла (например, внутренней энергии больших водоемов), называется вечным двигателем второго рода. Следующая формулировка второго начала термодинамики утверждает невозможность создания такого двигателя.