Термодинамика - Базаров И.П.
Скачать (прямая ссылка):
49 практика привела к установлению определенных закономерностей превращения теплоты в работу и работы в теплоту (как обших для «обычных» и «необычных» систем (см. § 5), так и специфических для тех и других). В результате анализа этих закономерностей и было сформулировано второе начало в виде закона о существовании энтропии и ее неубывании при любых процессах в изолированных (или только адиабатно изолированных) системах. Для того чтобы прийти к такому выражению второго начала, примем за исходную такую его формулировку, которая непосредственно связана с особенносі ями превращения теплоты в работу и работы в теплоту. При этом вследствие редкости необычных систем (ими являются пока только лишь системы ядерных спинов) мы будем исходить из формулировки второго начала в применении к обычным, наиболее распространенным системам*1.
Из определения понятий теплоты и работы (см. § 5) следует, что две рассматриваемые в термодинамике формы передачи энергии не являются равноценными: в то время как работа W может непосредственно пойти на увеличение любого вида энергии, теплота Q непосредственно, без предварительного превращения в работу, приводит лишь к увеличению внутренней энергии системы. Эта неравноценность теплоты и работы не имела бы значения, если бы можно было без каких-либо трудностей превратить теплоту в работу. Однако, как показывает опыт, в то время как при превращении работы в теплоту явление может ограничиться изменением термодинамического состояния одного лишь теплополучающего тела (например, при наї ревании посред-CiBOM трения или при электронагреве), при преобразовании теплоты в работу наряду с охлаждением теплоотдающего тела происходит изменение термодинамического состояния других тел, участвующих в этом процессе: или рабочего тела при незамкнутом процессе, или других тел в замкнутом круговом процессе, когда этим телам рабочее тело непременно отдает часть полученной им от нагревателя теплоты. В качестве таких «других тел» в тепловых машинах обычно служат холодильники.
Изменение состояния рабочего тела (ес;ш процесс незамкнутый) или отдача части теплоты рабочим телом другим телам и изменение термодинамического состояния этих тел при круговом процессе превращения теплоты в работу называются компенсацией. Результаты опытов показывают, что без компенсации ни один джоуль теплоты в работу превратить нельзя. В то же самое время работа в теплоту превращается полностью без всякой компенсации.
*' В § 32 будут установлены соответствующая закономерность для спиновых систем и закон возрастания энтропии. Там же будет приведена и общая для обычных и необычных систем исходная формулировка второго начала
50 Такая неравноправность превращения теплоты в рабо і у по сравнению с превращением работы в теплоту приводит к односторонности естественных процессов*1: самопроизвольные процессы в замкнутой системе идут в направлении исчезновения потенциально возможной работы. Например, в практике не обнаружено случаев самопроизвольного перехода теплоты от холодного тела к горячему. При тепловом контакте двух тел различной температуры теплота переходит от горячего тела к холодному до тех пор, пока их температуры не станут равными. При наличии разности температур двух тел имеется возможность (см. § 18) получить работу (потенциально возможная работа), самопроизвольный процесс при тепловом контакте іаких тел идет в направлении исчезновения этой возможной работы.
В практической деятельности,"при конструировании тепловых машин, реактивных двигателей и изучении различных процессов, необходимо учитывать эти законы природы и, опираясь на них, проводить анализ физических явлений.
Назовем устройство, которое без компенсации полностью превращало бы периодически в работу теплоту какого-либо тела, вечным двигателем второго рода. Тогда исходная формулировка вюрого начала, выражающая закономерности превращения теплоты в работу и работы в теплої у (в случае обычных систем), будет следующей: невозможен вечный двигатель второго рода, причем это утверждение не допускает обращения.
Как известно, предложение о невозможности вечного двигателя первого рода допускает обращение. Эта особенность предложения о вечном двигателе первого рода не включается в формулировку первого начала, так как не иірает роли .іля установления существования внутренней энергии системы как однозначной функции <ее сосюяния, чго составляет содержание первого начала. Аналогично, для установления существования энтропии утверждение о невозможности обращения предложения о вечном липі а гелей т орого рода также не нужно. Однако при установлении второго положения второго начала (положения о росте энтропии) приходится пользоваться утверждением о невозможности обращения предложения о вечном двигателе второго рода. Кроме того, это утверждение, как теперь известно, не всегда справедливо. Все это приводит к необходимости включения данного утверждения в исходную формулировку второго начала (для обычных систем)
Это положение означает, что, в то время как теплоту нельзя превратить в работу полностью без компенсации (невозможен вечный двигатель второю рода), работу в теплоту можно превратить без всяких компенсаций, так как не представляет
