Второй закон термодинамики (ЕГЭ-ОГЭ)

Невозможен процесс, единственным результатом которого является передача тепла от менее нагретого тела к более нагретому.

Например, если привести в тепловой контакт горячее и холодное тело, то энергия в процессе теплообмена будет передаваться от горячего тела к холодному. Обратный процесс, в результате которого холодное тело ещё больше остывало бы, а горячее — ещё больше нагревалось, хотя и возможен с энергетической точки зрения, в действительности сам по себе не происходит. Теплопередача от горячего тела к холодному является необратимым процессом.

Процесс, при котором тепло передаётся от менее нагретого тела к более нагретому, происходит в холодильных машинах. Но эта передача тепла не является единственным результатом данного процесса. Происходят изменения и в других телах — например, работает внешний источник энергии. Холодильник не работает без электричества. Постулат Клаузиуса утверждает невозможность самопроизвольной теплопередачи от холодного тела к горячему.

Невозможен циклический процесс, единственным результатом которого является получение работы за счёт охлаждения теплового резервуара.

Фактически постулат Кельвина запрещает существование теплового двигателя с КПД, равным единице. Гипотетический тепловой двигатель, целиком превращающий в работу поступающее от нагревателя тепло, называется вечным двигателем второго рода. Он не противоречит закону сохранения энергии. Если бы такой двигатель был изобретён, люди получили бы возможность без потерь превращать в работу огромные запасы внутренней энергии морей и океанов. Но невозможность создать вечный двигатель второго рода утверждается постулатом Кельвина. При работе двигателя автомобиля из него выходят горячие выхлопные газы, сам двигатель нагревается, в результате чего менее половины энергии сгорания бензина переводится в движение автомобиля.

Постулаты Клаузиуса и Кельвина следуют друг из друга.

Предположим, что постулат Клаузиуса неверен. Тогда существует процесс X, единственным результатом которого является передача тепла Q от менее нагретого тела L к более нагретому телу M. Возьмём тепловой двигатель, нагревателем которого является тело M, а холодильником — тело L. Двигатель подберём так, чтобы за цикл к холодильнику поступало как раз тепло Q. Совершим один цикл, в ходе которого двигатель произведёт работу A, после чего осуществим процесс X. Тепло Q вернётся к телу M.

Тогда окажется, что в результате циклического процесса двигатель произвёл работу A только за счёт тепла, отведённого от нагревателя M. Следовательно, неверен постулат Кельвина.

Теперь предположим, что неверен постулат Кельвина. Тогда существует циклический процесс Y, единственным результатом которого является получение работы A за счёт тепла, отводимого от некоторого резервуара L. Возьмём тело M, более горячее, чем L. Запустим процесс Y. От тела L будет отведено тепло Q. Полученную работу A = Q превратим во внутреннюю энергию тела M (например, с помощью трения).

В итоге осуществим процесс, единственным результатом которого является передача тепла Q от менее нагретого тела L к более нагретому телу M. Никаких других изменений не произошло (так как процесс Y циклический). Следовательно, постулат Клаузиуса неверен.

Энтропия является мерой беспорядка в системе: чем больше беспорядка, тем она выше. Она обозначается буквой S. Все самопроизвольные необратимые процессы в изолированной системе могут происходить только с увеличением энтропии.

Кроме термодинамики, понятие энтропии используется и в других областях науки, например в статистической физике и теории информации.

Энтропию можно проиллюстрировать бытовыми примерами: из разбитого яйца не собрать целого, случайно перемешивая колоду карт невозможно её упорядочить, а запах из открытого флакона духов не собрать обратно в флакон.

Термодинамические системы можно разделить на три типа:

• открытые — обмениваются с окружающей средой веществом и энергией;
• закрытые — обмениваются только энергией;
• изолированные — не обмениваются ни веществом, ни энергией и сохраняют постоянный объём.

Второй закон термодинамики применяется не только для изолированных, но и для открытых систем. В таком случае в формулу баланса энтропии включается не только изменение энтропии самой системы, но показатели изменений энтропии, вызванных взаимодействием с внешней средой.