"Физика (базовый уровень)", Белага В.В., Ломаченков И.А., Панебратцев Ю.А.
Второй закон термодинамики объясняет, почему тепло само переходит от горячего тела к холодному и почему тепловая машина не может превратить всю полученную энергию в работу. Он дополняет закон сохранения энергии: тот говорит, сколько энергии сохраняется, а второй закон — какие превращения могут происходить самопроизвольно. С его помощью можно понять устройство двигателей и холодильников, а также распознать невозможную машину.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Необратимый процесс — процесс, который самопроизвольно не может идти в обратном направлении. Например, тепло переходит от горячего тела к холодному, но сами тела не начинают нагреваться и охлаждаться в обратном порядке без внешнего воздействия. Понятие помогает отличить возможное самопроизвольное изменение от процесса, для которого нужны дополнительные действия.
Обратимый процесс — идеализированный процесс, который можно провести в обратном направлении так, чтобы окружающие тела вернулись в исходное состояние. Это удобная модель для рассуждений о термодинамических процессах. В природе реальные процессы в той или иной степени необратимы, поэтому модель нужна для сравнения, а не для описания совершенно точного реального процесса.
Второй закон термодинамики — закон, устанавливающий направление самопроизвольных процессов и ограничения на превращение теплоты в работу. Он дополняет закон сохранения энергии: недостаточно узнать, что энергия сохраняется, нужно ещё проверить, возможен ли такой ход процесса. Закон нужен, чтобы объяснять, например, почему нагретый предмет остывает, а тепловая машина отдаёт часть теплоты.
Вечный двигатель второго рода — невозможная тепловая машина, которая полностью превращала бы теплоту, полученную от одного источника, в работу. Такая машина не создавала бы энергию из ничего, но нарушала бы второй закон термодинамики. Это понятие позволяет распознать проекты, которые соблюдают энергетический баланс, но обещают невозможный способ преобразования энергии.
Когда соприкасаются тела с разной температурой, их частицы взаимодействуют и обмениваются энергией. В среднем более энергичные частицы горячего тела передают энергию менее энергичным частицам холодного, поэтому температуры постепенно сближаются. Такое направление возникает самопроизвольно, тогда как обратный перенос потребовал бы внешнего воздействия. Например, чашка горячего чая отдаёт энергию воздуху комнаты, а не забирает её у воздуха, чтобы сама собой стать ещё горячее.
После длительного контакта тела достигают теплового равновесия: их температуры становятся одинаковыми, и заметного направленного обмена энергией больше нет. Чтобы самопроизвольно вернуться к прежнему состоянию, часть равномерно распределённой энергии должна была бы собраться в одном теле, а другая часть — перейти в другое. В обычных условиях такой переход не наблюдается, потому что хаотическое движение частиц приводит к выравниванию температур, а не к их самопроизвольному разделению. Поэтому выравнивание температур относят к необратимым процессам.
Работа может переходить во внутреннюю энергию практически полностью. При торможении автомобиля трение нагревает тормоза и окружающие детали: механическая энергия движения превращается в энергию хаотического движения частиц. Обратное превращение теплоты в упорядоченное движение тоже возможно, но не без ограничений. Для его получения нужно создать условия, при которых часть энергии будет передана как работа, а не вся теплота станет полезным движением.
Тепловая машина получает энергию от нагревателя, а её рабочее тело в ходе цикла совершает работу. Чтобы цикл повторялся, рабочее тело должно вернуться в исходное состояние; для этого часть полученной теплоты передаётся холодильнику. Если обозначить теплоту от нагревателя через Qн, работу через A, а теплоту, отданную холодильнику, через Qх, то энергетический баланс имеет вид Qн = A + Qх. Первый закон термодинамики объясняет этот баланс, а второй показывает, почему в цикле нельзя сделать Qх равной нулю.
Формулировка Клаузиуса говорит, что теплота не переходит самопроизвольно от холодного тела к горячему. Формулировка Кельвина—Планка утверждает, что циклическая машина не может полностью превращать в работу теплоту, полученную от одного источника, без иных изменений. Эти формулировки описывают одно ограничение с разных сторон: холодильнику для переноса теплоты вверх по температуре нужна работа, а двигателю для цикла необходимо отдать часть теплоты холодильнику. Поэтому вечный двигатель второго рода невозможен.
Сопоставляйте ситуацию со вторым законом: он показывает, какой процесс идёт сам собой, а какой требует внешнего воздействия. В строках о тепловой машине полезно учитывать не только сохранение энергии, но и необходимость повторять цикл. Именно поэтому машина не может преобразовать всю теплоту одного источника в работу.
| Ситуация | Что происходит самопроизвольно | Что запрещает второй закон |
|---|---|---|
| Контакт горячего и холодного тел | Теплота переходит от горячего тела к холодному | Самопроизвольный переход теплоты от холодного тела к горячему |
| Циклическая работа тепловой машины | Часть полученной теплоты превращается в работу, часть отдаётся холодильнику | Полное превращение теплоты одного источника в работу без иных изменений |
Задача 1. Горячий чай остывает в комнате. Укажите направление передачи теплоты и объясните, почему обратный процесс самопроизвольно не происходит. Сначала сравним температуры чая и воздуха: чай горячее, значит, энергия будет переходить от него к окружающей среде. Обратное направление нельзя получить простым ожиданием — для него понадобилось бы внешнее воздействие.
Задача 2. Тепловая машина за цикл получает от нагревателя 800 Дж теплоты и отдаёт холодильнику 500 Дж. Найдите работу машины и объясните, почему она не равна всей полученной теплоте. В цикле изменение состояния рабочего тела за полный оборот равно нулю, поэтому теплота от нагревателя распределяется между работой и передачей холодильнику. Используем баланс Qн = A + Qх.
Задача 3. Предложена циклическая машина, которая получает теплоту только от одного источника и превращает все 600 Дж этой теплоты в работу. Определите, возможна ли такая машина. Энергетический баланс сам по себе не обнаруживает нарушения: 600 Дж теплоты могли бы численно равняться 600 Дж работы. Поэтому проверяем также ограничение второго закона для циклической машины.
Ошибка: считать, что второй закон вообще запрещает превращать теплоту в работу. Так думают, замечая, что тепловая машина не может использовать всю полученную энергию. Но часть теплоты превратить в работу можно, как показывает работа теплового двигателя. Проверка: спросите себя, идёт ли речь о частичном превращении или о полном превращении теплоты одного источника в цикле.
Ошибка: менять местами направления самопроизвольного переноса теплоты. Путаница возникает, если представлять любое направление теплообмена одинаково возможным. В обычных условиях энергия переходит от более нагретого тела к менее нагретому, а не наоборот. Проверка: сравните температуры тел и без внешнего воздействия направьте перенос от горячего к холодному.
Ошибка: считать, что холодильник нарушает второй закон, потому что переносит теплоту от холодного тела к горячему. В холодильнике действительно происходит перенос против самопроизвольного направления, поэтому может показаться, что закон нарушен. Но для этого нужна работа компрессора или другого устройства. Проверка: выясните, совершается ли внешняя работа; если да, перенос не является самопроизвольным.
Ошибка: полагать, что любой процесс, не противоречащий закону сохранения энергии, обязательно возможен. Первый закон проверяет энергетический баланс, но не задаёт направление процесса. Поэтому идея может сохранять количество энергии, но всё же нарушать второй закон. Проверка: наряду с балансом спросите, не требует ли процесс самопроизвольного переноса теплоты от холодного тела к горячему или полного превращения теплоты одного источника в работу.
Для изучения второго закона нужны понятия внутренней энергии, количества теплоты, работы и теплового равновесия. Они помогают описывать, какая энергия передаётся и как меняется состояние тел. Без них трудно составить энергетический баланс и определить направление теплообмена.
Тема связана с первым законом термодинамики: он выражает сохранение энергии, например в балансе Qн = A + Qх, а второй закон ограничивает возможный ход превращений. Вместе они объясняют, почему одного равенства энергий недостаточно, чтобы признать машину осуществимой. Позже эти знания пригодятся при изучении КПД тепловых двигателей, холодильных установок и способов преобразования энергии.
Почему горячий предмет остывает, а холодный сам собой не нагревается от горячего?
При контакте энергия самопроизвольно передаётся от тела с более высокой температурой к телу с более низкой. Обратный перенос возможен только при дополнительном воздействии, а не сам собой.
Запрещает ли второй закон превращать теплоту в работу?
Нет, часть теплоты можно превратить в работу, например в тепловом двигателе. Запрещено полностью превращать в работу теплоту, полученную от одного источника, в циклической машине.
Почему тепловой машине нужен холодильник?
При циклической работе часть полученной от нагревателя теплоты должна передаваться холодильнику. Без этого нельзя снова привести рабочее тело в исходное состояние и продолжать цикл, превращая теплоту в работу.
Чем вечный двигатель второго рода отличается от вечного двигателя первого рода?
Вечный двигатель первого рода нарушал бы закон сохранения энергии: он создавал бы энергию из ничего. Вечный двигатель второго рода не нарушал бы баланс энергии, но полностью превращал бы теплоту одного источника в работу, что запрещает второй закон.
Нарушает ли второй закон работу холодильника?
Нет. Холодильник переносит теплоту от холодного тела к более тёплому благодаря работе, которую совершает электродвигатель. Второй закон запрещает именно самопроизвольный перенос теплоты в таком направлении.
50. Второй закон термодинамики
