Физика для поступающих в вузы - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
174
ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ
нарушен, если бы, наоборот, передача тепла происходила от тела с низкой температурой к телу с более высоко» прГи условии, что полный запас внутренней энергии оставался бы неизменным. Однако повседневный опыт показывает, что само собой это никогда не происходит.
Другой пример: при падении камня с некоторой высоты вся кинетическая энергия его поступательного движения исчезает при ударе о землю, но при этом увеличивается внутренняя энергии самого камня и окружающих «го тел, так что закон сохранения энергии, разумеется, не оказывается нарушенным. Но первому закону термодинамики не противоречил бы и обратный процесс, при котором к лежащему на земле камню перешло бы от окружающих предметов некоторое количество тепла, в результате чего камень поднялся бы на некоторую высоту. Однако никто никогда не наблюдал таких самопроизвольно подскакивающих камней.
Вдумываясь в эти и другие подобные примеры, мы приходим к выводу, что первый закон термодинамики не накладывает никаких ограничений на направление превращений энергии из одного вида в другой и на направление перехода тепла между телами, требуя только сохранения полного запаса энергии в замкнутых системах. Между тем опыт показывает, что разные виды энергии не равноценны в отношении способности превращаться в другие виды. Механическую энергию можно целиком превратить во внутреннюю энергию любого тела независимо от того, какова была его температура. Действительно, любое тело можно нагреть трением, увеличивая его внутреннюю энергию на величину, равную совершенной работе. Точно так же электрическая энергия может быть целиком превращена во внутреннюю, например, при прохождении электрического тока через сопротивление. А вот для обратных превращений внутренней энергии в другие виды существуют определенные ограничения, состоящие в том, что запас внутренней энергии ни при каких условиях не может превратиться целиком в другие виды энергии. С отмеченными особенностями энергетических превращений связано направление протекания процессов в природе. Второй закон термодинамики, отражающий направленность естественных процессов и налагающий ограничения на возможные направления энергетических превращений а мак-
§ 7. ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ
17?
роскопических системах, представляет собой, как и всякий фундаментальный закон, обобщение большого числа опытных фактов.
Исторически открытие второго закона термодинамики было связано с изучением вопроса о максимальном коэффициенте полезного действия тепловых машин, проведенный французским ученым Сади Карно. Позднее Клаузиус и
схема устройства, в котором нарушается постулат Клаузиуса.
Рис. 7.2. Принципиальная схема устройства, в котором нарушается постулат Томсона.
Томсон (лорд Кельвин) предложили различные по виду, но эквивалентные формулировки второго закона термодинамики.
Согласно формулировке Клаузиуса, невозможен процесс, единственным результатом которого был бы переход тепла от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой.
Томсон сформулировал второй закон термодинамики следующим образом: невозможен периодический процесс, единственным конечным результатом которого было бы совершение работы за счет тепла, взятого от одногс какого-то тела.
Выражение «единственным результатом» в этих формулировках означает, что никаких других изменений, кроме указанных, ни в рассматриваемых системах, ни в окружающих их телах не происходит. Условная схема такого рода процесса, запрещенного постулатом Клаузиуса, показана' на рис. 7.1, а процесса, запрещенного постулатом Томсона,— на рис. 7.2.
176
ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ
В формулировке Томсона второй закон термодинамики накладывает ограничения на превращение внутренней энергии в механическую. Из формулировки Томсона следует, что невозможно построить машину, которая совершала бы работу только лишь за счет получения тепла из окружающей среды. Такая гипотетическая машина получила название вечного двигателя второго рода, так как вследствие неограниченности запасов внутренней энергии в земле, океане, атмосфере такая машина была бы для всех практических целей эквивалентна вечному двигателю.
Вечный двигатель второго рода не находится в противоречии с первым законом термодинамики, в отличие от вечного двигателя первого рода, т. е. устройства для совершения работы вообще без использования источника энергии.
Эквивалентность формулировок второго закона термоди-'намики, предложенных Клаузиусом и Томсоном, устанавливается простыми рассуждениями.
Предположим, что постулат Томсона несправедлив. Тогда можно осуществить такой процесс, единственным результатом которого было бы совершение работы за счет тепла, взятого от единственного источника с температурой Т. Эту работу можно было бы, например путем трения, снова целиком превратить в тепло, передаваемое телу, температура которого выше, чем Т. Единственным результатом такого составного процесса был бы переход тепла от тела с температурой Т к телу с более высокой температурой. Но это противоречило бы постулату Клаузиуса. Итак,
