ГЛАВА III. ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

7. ФОРМУЛИРОВКА ВТОРОГО ЗАКОНА ТЕРМОДИНАМИКИ

Первый закон термодинамики был сформулирован как невозможность построить машину, которая могла бы создавать энергию. Однако он не накладывает ограничений на превращение энергии из одного вида в другой. Таким образом, на основе одного лишь первого закона всегда имеется возможность превратить теплоту в работу или работу в теплоту, если только общее количество теплоты эквивалентно общему количеству работы. Это, безусловно, верно для превращения работы в теплоту. Тело (безразлично с какой температурой) всегда можно нагреть трением, получая количество энергии в форме тепла, точно равное проделанной работе. Подобным же образом электрическая энергия всегда может быть превращена в теплоту при прохождении электрического тока через сопротивление. Однако существуют определенные ограничения при превращении теплоты в работу. Если бы этого не было, то можно было бы построить машину, которая смогла бы путем охлаждения окружающих тел превращать взятую из окружающей среды теплоту в работу.

Так как запасы тепловой энергии, содержащиеся в земле, воде и атмосфере, практически не ограничены, то такая машина была бы для всех практических целей эквивалентна perpetunm mobile. Такую гипотетическую машину называют perpetuum mobile второго рода.

Второй закон термодинамики исключает возможность построения perpetuum mobile второго рода. Чтобы точно сформулировать этот закон, определим, что означает выражение «источник теплоты при данной температуре».

Тело с температурой поставленное в такие условия, что оно может изменять теплоту, но не может совершать работу, взаимодействуя с окружающей средой, называется источником теплоты при температуре В качестве примера можем

рассмотреть тела, заключенные в жесткую оболочку или подвергающиеся незначительному изменению объема. Масса воды, которая имеет повсюду температуру может быть принята за источник теплоты, так как ее объем практически постоянен.

Мы можем теперь установить второй закон термодинамики в следующей форме: невозможен процесс, единственным конечным результатом которого будет превращение в работу теплоты, извлеченной из источника, имеющего всюду одинаковую температуру (постулат Кельвина).

Экспериментальное доказательство справедливости закона состоит главным образом в неудаче всех попыток сконструировать perpetuum mobile второго рода.

Второй закон может быть выражен также следующим образом: невозможен процесс, единственным конечным результатом которого был бы переход теплоты от тела с данной температурой к телу с более высокой температурой (постулат Клаузиуса).

До сих пор мы, однако, пользовались только опытной температурной шкалой. Чтобы дать точную формулировку постулата Клаузиуса, следует сначала определить, что мы подразумеваем, когда говорим, что одно тело имеет более высокую температуру, чем другое. Если привести два тела, имеющих различную температуру, в тепловой контакт, то теплота самопроизвольно перейдет от одного из них к другому. Таким образом, можно заключить, что тело, из которого теплота переходит, имеет более высокую температуру, чем другое тело. Теперь можно сформулировать постулат Клаузиуса следующим образом: если при контакте теплота переходит от тела А к другому телу В, то невозможен процесс, единственным конечным результатом которого был бы переход теплоты от В к А.

Однако следует доказать эквивалентность постулатов Клаузиуса и Кельвина. Для этого нужно доказать, что если постулат

Клаузиуса несправедлив, то несправедлив и постулат Кельвина, и наоборот.

Предположим, что постулат Кельвина несправедлив. Тогда можно было бы совершить процесс, единственным результатом которого являлось бы полное превращение в работу теплоты, взятой от единственного источника при температуре Тогда путем трения можно было бы превратить работу снова в теплоту и благодаря этому поднять температуру тела, независимо от того, какой была его начальная температура В частности, температуру можно было взять такой, чтобы она была выше, чем Таким образом, единственным результатом этого процесса был бы переход теплоты от одного тела (источника при температуре к другому телу с более высокой температурой что было бы нарушением постулата Клаузиуса.

Вторая часть доказательства эквивалентности этих двух постулатов требует сначала обсуждения возможности превращения теплоты в работу. Этому вопросу посвящен следующий раздел.