Первый закон термодинамики говорит, как сохраняется энергия в тепловом процессе. Второй закон термодинамики добавляет другое важное ограничение: он показывает, в каком направлении тепловые процессы могут идти самопроизвольно.
Не всякий процесс, который не нарушает закон сохранения энергии, реально происходит сам по себе.
Необратимые процессы
Необратимый процесс — процесс, который самопроизвольно идёт в одном направлении, а обратный процесс сам по себе не происходит.
Примеры необратимых процессов:
- Теплообмен от более нагретого тела к менее нагретому.
- Остывание горячего тела в более холодной окружающей среде.
- Превращение механической энергии во внутреннюю при трении.
- Диффузия: самопроизвольное перемешивание веществ.
Обратные процессы не запрещены законом сохранения энергии, но они не происходят самопроизвольно. Например, холодное тело не отдаёт энергию горячему так, чтобы холодное стало ещё холоднее, а горячее — ещё горячее, если больше ничего не изменилось.
Важно
Слово «самопроизвольно» здесь главное. Передать энергию от холодного тела к горячему можно, но для этого нужен внешний процесс, например работа холодильной машины.
Формулировка через теплообмен
Одна из формулировок второго закона термодинамики:
Невозможен процесс, единственным результатом которого является передача теплоты от менее нагретого тела к более нагретому.
Самопроизвольная теплопередача идёт от горячего тела к холодному, пока температуры не выровняются. Это связано с понятием теплового равновесия.
Если тепло передаётся от холодного тела к горячему, обязательно происходит что-то ещё: например, внешние силы совершают работу, а устройство получает энергию от источника.
Формулировка через работу
Другая формулировка второго закона:
Невозможен циклический процесс, единственным результатом которого является превращение теплоты, полученной от одного теплового резервуара, в работу.
Иначе говоря, нельзя построить тепловой двигатель, который за цикл полностью превращает полученную теплоту в работу и не вызывает никаких других изменений.
Такой воображаемый двигатель называют вечным двигателем второго рода. Он не нарушал бы первый закон термодинамики, потому что энергия сохранялась бы, но он запрещён вторым законом.
Зачем нужен второй закон
Первый закон отвечает на вопрос: «Сохраняется ли энергия?»
Второй закон отвечает на вопрос: «Может ли такой процесс идти самопроизвольно?»
Например, при трении механическая энергия переходит во внутреннюю: тела нагреваются. Обратная картина, когда тело само охлаждается и за счёт этого начинает двигаться быстрее, не противоречит арифметике энергии, но в природе самопроизвольно не наблюдается.
Второй закон поэтому задаёт направленность процессов:
- Температуры при тепловом контакте выравниваются.
- Механическая энергия легко рассеивается во внутреннюю.
- Реальные процессы идут с потерями и не являются полностью обратимыми.
Обратимые процессы как идеализация
Обратимый процесс — идеализированный процесс, который можно провести в обратном направлении так, чтобы система и окружающие тела вернулись в исходные состояния.
В реальности процессы идут за конечное время, сопровождаются трением, теплообменом при конечной разности температур, сопротивлением среды и другими потерями. Поэтому реальные процессы необратимы.
Обратимые процессы используют как удобную модель. Они помогают понять предельные возможности тепловых машин, но сами идеальные тепловые машины и их КПД относятся уже к следующим пунктам кодификатора.
Не путать
- Первый закон термодинамики — про сохранение энергии.
- Второй закон термодинамики — про направление тепловых процессов.
- Теплота самопроизвольно передаётся от более нагретого тела к менее нагретому.
- Передача теплоты от холодного тела к горячему возможна только вместе с другими изменениями, например за счёт внешней работы.
- Вечный двигатель второго рода запрещён вторым законом, а не первым.
Коротко
- Реальные тепловые процессы необратимы.
- Самопроизвольный теплообмен идёт от горячего тела к холодному.
- Невозможен процесс, единственный результат которого — передача теплоты от холодного тела к горячему.
- Невозможен циклический процесс, единственный результат которого — полное превращение теплоты от одного резервуара в работу.
- Обратимые процессы — идеализация; реальные процессы сопровождаются необратимостью.