Незворотність теплових процесів

Згідно з цим законом, енергія не може бути створена або знищена; вона передається від однієї системи до іншої і перетворюється з однієї форми в іншу. Процеси, що порушують перший закон термодинаміки, ніколи не спостерігалися. На рис. 3.12.1 зображені пристрої, заборонені першим законом термодинаміки.

Малюнок 3.12.1. Циклічно працюють теплові машини, що забороняються першим законом термодинаміки: 1 - вічний двигун 1 роду, що здійснює роботу без споживання енергії ззовні; 2 - теплова машина з коефіцієнтом корисної дії # 951;> 1.

Перший закон термодинаміки не встановлює напрямки теплових процесів. Однак, як показує досвід, багато теплові процеси можуть протікати тільки в одному напрямку. Такі процеси називаються незворотними. Наприклад, при тепловому контакті двох тіл з різними температурами тепловий потік завжди спрямований від більш теплого тіла до більш холодного. Ніколи не спостерігається мимовільний процес передачі тепла від тіла з низькою температурою до тіла з більш високою температурою. Отже, процес теплообміну при кінцевої різниці температур є незворотнім.

Оборотними процесами називають процеси переходу системи з одного рівноважного стану в інший, які можна провести в зворотному напрямку через ту ж послідовність проміжних рівноважних станів. При цьому сама система і навколишні тіла повертаються до вихідного стану.

Процеси, в ході яких система весь час залишається в стані рівноваги, називаються квазістатичного. Все квазістатичні процеси зворотні. Всі зворотні процеси є квазістатичного.

Якщо робоче тіло теплової машини приводиться в контакт з тепловим резервуаром, температура якого в процесі теплообміну залишається незмінною, то єдиним оборотним процесом буде ізотермічний квазістатичний процес, що протікає при нескінченно малій різниці температур робочого тіла і резервуара. При наявності двох теплових резервуарів з різними температурами оборотним шляхом можна провести процеси на двох ізотермічних ділянках. Оскільки адіабатичний процес також можна проводити в обох напрямках (адіабатичне стиск і адіабатичне розширення), то круговий процес, що складається з двох ізотерм і двох адіабати (цикл Карно) є єдиним оборотним круговим процесом, при якому робоче тіло приводиться в тепловий контакт тільки з двома тепловими резервуарами. Всі інші кругові процеси, що проводяться з двома тепловими резервуарами, необоротні.

Незворотними є процеси перетворення механічної роботи у внутрішню енергію тіла через наявність тертя, процеси дифузії в газах і рідинах, процеси перемішування газу при наявності початкової різниці тисків і т. Д. Все реальні процеси необоротні, але вони можуть як завгодно близько наближатися до оборотних процесам. Зворотні процеси є ідеалізацією реальних процесів.

Перший закон термодинаміки не може відрізнити оборотні процеси від незворотних. Він просто вимагає від термодинамічної процесу певного енергетичного балансу і нічого не говорить про те, чи можливий такий процес чи ні. Напрямок мимовільно протікають процесів встановлює другий закон термодинаміки. Він може бути сформульований у вигляді заборони на певні види термодинамічних процесів.

Англійський фізик У. Кельвін дав в 1851 р наступне формулювання другого закону:

В циклічно діючої теплової машині неможливий процес, єдиним результатом якого було б перетворення в механічну роботу всієї кількості теплоти, отриманого від єдиного теплового резервуара.

Гіпотетичну теплову машину, в якій міг би відбуватися такий процес, називають «вічним двигуном другого роду». У земних умовах така машина могла б відбирати теплову енергію, наприклад, у Світового океану і повністю перетворювати її в роботу. Маса води в Світовому океані становить приблизно 10 21 кг, і при її охолодженні на один градус виділилося б величезна кількість енергії (≈ 10 24 Дж), еквівалентну повного спалювання 10 17 кг вугілля. Щорічно виробляється на Землі енергія приблизно в 10 4 разів менше. Тому «вічний двигун другого роду» був би для людства не менше привабливий, ніж «вічний двигун першого роду», заборонений першим законом термодинаміки.

Німецький фізик Р. Клаузіус дав інше формулювання другого закону термодинаміки: