Общий курс физики термодинамика и молекулярная физика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
Опытные факты говорят против возможности построения перпетуум мобиле второго рода. Поэтому невозможность построения такого перпетуум мобиле была возведена в постулат. Он называется
§ 28] РАЗЛИЧНЫЕ ФОРМУЛИРОВКИ ОСНОВНОГО ПОСТУЛАТА 91
постулатом второго начала термодинамики и является обобщением опытных фактов. Доказательством этого постулата является согласие всех вытекающих из него следствий с опытом. До сих пор, применяя этот постулат к макроскопическим системам, размеры которых не очень малы, физика нигде не натолкнулась на противоречия. Поэтому постулат второго начала термодинамики покоится на надежной экспериментальной основе. Приведем три точных формулировки постулата.
3. Вильям Томсон (получивший позднее за научные заслуги титул лорда Кельвина) в 1851 г. дал такую формулировку постулата второго начала термодинамики: «Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара».
Напомним, что под тепловым резервуаром понимают тело или систему тел, находящуюся в состоянии термодинамического равновесия и обладающую запасом внутренней энергии. Но тепловой резервуар сам макроскопической работы не совершает, а может только передавать внутреннюю энергию другому телу или системе тел. Если последняя система производит работу за счет внутренней энергии теплового резервуара, то она называется в термодинамике рабочим телом. Таким образом, согласно Томсону, невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет уменьшения внутренней энергии теплового резервуара.
4. Можно конкретизировать, в чем должно выражаться производство внешней работы, и таким путем получить множество разнообразных формулировок основного постулата. Одна из них принадлежит Планку (1858—1947). Она состоит в следующем: «Невозможно построить периодически действующую машину, единственным результатом которой было бы поднятие груза за счет охлаждения теплового резервуара».
Указание на периодичность действия машины в формулировке Планка существенно. Точно так же в формулировке Томсона существенно, что процесс должен быть круговым. Действительно, возможен процесс (но не круговой), единственным результатом которого было бы поднятие груза за счет внутренней энергии, заимствованной от теплового резервуара. Планк приводит следующий пример. Допустим, что в цилиндре с поршнем (см. рис. 7) находится идеальный газ. На поршне лежит груз Р. Приведем дно цилиндра в тепловой контакт с достаточно большим тепловым резервуаром, температура которого превышает температуру газа на бесконечно малую величину. Затем будем бесконечно малыми порциями разгружать поршень. Тогда газ будет изотермически расширяться, производя работу А по поднятию груза. По первому началу
Q = U2-Ul + A.
92
ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ
[ГЛ. Ill
Так как внутренняя энергия идеального газа U зависит только от температуры, которая в описанном процессе не меняется, то U2 — b\ ----- 0, и следовательно
Q=A.
Таким образом, теплота Q, заимствованная у теплового резервуара, полностью перешла в работу поднятия/руза. Это не противоречит постулату второго начала термодинамики, так как описанный процесс не круговой, т. е. машина не является периодически действующей. Вот если бы удалось каким угодно способом, оставляя груз в поднятом положении, сжать газ, приведя его в начальное состояние, и вернуть поршень в исходное положение таким образом, чтобы во всех остальных телах (за исключением теплового резервуара, часть внутренней энергии которого пошла на производство работы) не произошло никаких изменений, то тогда получилось бы противоречие с постулатом второго начала термодинамики, ибо постулат второго начала термодинамики утверждает, что сделать это невозможно никакими способами.
Формулировка Планка отличается от формулировки Томсона лишь по форме. Для удобства условимся называть процессом Томсона — Планка воображаемый круговой процесс, единственным результатом которого является производство работы за счет охлаждения теплового резервуара. Тогда постулат сводится к утверждению, что процесс Томсона — Планка невозможен.
5. Клаузиус (1822—1888) в 1850 г. дал существенно иную формулировку основного постулата. Он выдвинул следующее положение: «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 (см. § 4, п. 4). Передачу тепла (точнее, внутренней энергии) можно осуществить не только тепловым контактом, но и бесчисленным множеством других способов. Напрпмер, 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
