Общий курс физики термодинамика и молекулярная физика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
Пусть адиабатически изолированная система состоит из двух тел, взаимодействующих между собой, но не взаимодействующих с другими телами. Тогда, как было показано в § 16, теплообмен между ними подчиняется условию Qi = — Qo. Тепло Qi, полученное одним телом, равно теплу — Q3, отданному другим телом. В каком направлении будет переходить тепло — на этот вопрос первое начало термодинамики ответить не может. Первому началу не противоречил бы, например, процесс, в котором тепло самопроизвольно переходит от тела менее нагретого к телу более нагретому. Вопрос о количественной мере температуры чужд первому началу термодинамики. Это проявляется в том, что первое начало не привело ни к какой рациональной шкале температур.
Второе начало термодииамики, наоборот, позволяет судить о направлении процессов, которые могут происходить в действительности. Но этим значение второго начала не исчерпывается. Второе начало позволяет вполне удовлетворительно решить вопрос о количественной мере температуры и построить рациональную температурную шкалу, не зависящую от произвола выбора термометрического тела и устройства термометра. Оно, совместно с первым началом, позволяет также установить множество точных количественных соотношений между различными макроскопическими параметрами тел в состоянии термодинамического равновесия. Все такие точные соотношения получили общее название термодинамических соотношений.
2. Основоположником второго начала термодинамики считается французский инженер и физик Сади Карно. В своем сочинении «О движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту
РАЗЛИЧНЫЕ ФОРМУЛИРОВКИ ОСНОВНОГО ПОСТУЛАТА
89
силу», вышедшем в 1824 г. (т. е. значительно ранее открытия первого начала Р. Майером, Джоулем и Гельмгольцем), Садн Карно исследовал условия превращения теплоты в работу. Однако тогда Карно стоял на точке зрения теории теплорода (позднее он от нее отказался), а поэтому ему не удалось дать ясную н четкую формулировку второго начала термодинамики. Это было сделано только в 1850—51 гг. независимо друг от друга немецким физиком Рудольфом Клаузиусом и шотландским физиком Вильямом Томсоном (лордом Кельвином). Они сформулировали основной постулат, выражающий второе начало термодинамики, и вывели из него главнейшие следствия.
§ 28. Различные формулировки основного постулата, выражающего второе начало термодинамики
1. Чтобы прийти к формулировке постулата второго начала термодинамики, следуя историческому ходу идей, рассмотрим схематически работу тепловой машины. В цилиндре машины (рнс. 23) помещается газ или какое-либо другое вещество, называемое рабочим телом. Для определенности будем считать, что рабочим телом является газ. Пусть на диаграмме VP начальное состояние рабочего
тела изображается точкой 1. Приведем дно цилиндра в тепловой контакт с нагревателем, т. е. телом, температура которого выше температуры газа в цилиндре. Газ будет нагреваться и расширяться — этот процесс изображен кривой 1и2. Рабочее вещество получит от нагревателя тепло Qt н совершит положительную работу Av По первому началу
Q1 = Ui-U1 + A1. (28.1)
Теперь надо вернуть поршень в исходное положение, т. е. сжать газ. Это надо сделать так, чтобы работа Л2, затраченная на сжатие, была меньше Лх. С этой целью приведем дно цилиндра в тепловой контакт с холодильником, т. е. телом, температура которого ниже
90
ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ
[ГЛ. III
температуры газа в цилиндре, и сожмем газ по пути 2Ы. В результате газ вернется в исходное состояние /. При этом он отдаст холодильнику тепло Q2. По первому началу
— Q2 = u1-U2-A2. (28.2)
Отсюда в комбинации с (28.1)
<Зі-С2 = Л1-Л2. (28.3)
Таким образом, тепловая машина совершила круговой процесс, в результате которого нагреватель отдал тепло Qu холодильник получил тепло Q2, тепло Q = Qi — Q2 пошло на производство работы Аг — А2. Отношение
ч = І = -^г- <2М)
называется коэффициентом или экономическим коэффициентом полезного действия тепловой машины.
2. Возникает вопрос, нельзя ли построить периодически действующую тепловую машину без холодильника, т. е. добиться того, чтобы Q.z = 0, н следовательно, т| = 1? Такая машина могла бы превращать в работу всю теплоту, заимствованную от одного теплового резервуара. Возможность ее построения не противоречит закону сохранения энергии. По своему практическому значенню она почти не уступала бы перпетуум мобиле, так как с ее помощью можно было бы производить работу за счет практически неисчерпаемых запасов внутренней энергии, содержащихся в воде океанов н морей, воздушной атмосфере и недрах Земли. Такую машину Вильгельм Оствальд (1853—1932) назвал перпетуум мобиле второго рода в отличие от перпетуум мобиле первого рода, т. е. вечного двигателя, производящего работу из ничего, возможность которого отрицается законом сохранения энергии.
Но уже Сади Карно понял, что такая машина принципиально невозможна. Работу тепловых двигателей он сравнивал с работой двигателей водяных. Производство работы в последних двигателях связано с падением воды с более высокого на более низкий уровень. Так и возможность производства работы тепловыми двигателями обусловлена по Карно переходом тепла от тела более нагретого к телу менее нагретому. Исходя из этой аналогии, Карно вывел ряд правильных положений, с которыми мы ознакомимся в дальнейшем. Ошибка Карно состояла лишь в том, что он вместе со своими современниками считал, что во всех процессах теплота не может создаваться и уничтожаться.
