Другий закон

А що таке другий закон термодинаміки? Ми знаємо, що якщо при роботі доводиться долати тертя, то втрачена робота дорівнює виділеному теплу. Якщо ми долаємо тертя в кімнаті при температурі Т і робимо це досить повільно, то температура в кімнаті зміниться ненабагато. Ми перетворюємо роботу на тепло при постійній температурі. Ну, а чи можна вчинити навпаки? Чи зуміємо ми якимось способом перетворити тепло на роботу при постійній температурі? Другий закон термодинаміки стверджує, що це неможливо. Було б дуже добре навчитися перетворювати тепло на роботу, змінивши лише напрямок процесу, схожого на тертя. Якщо виходити тільки із закону збереження енергії, можна вважати, що теплова енергія, наприклад коливальна енергія молекул, здатна слугувати зручним джерелом корисної енергії. Але Карно стверджував, що при постійній температурі теплову енергію не можна видобути з її джерела. Інакше кажучи, якби весь світ мав усюди однакову температуру, то виявилося б неможливим перетворити теплову енергію на роботу. Хоча процеси, при яких робота переходить у тепло, можуть відбуватися при постійній температурі, неможливо обернути їх і повернути роботу назад. Якщо говорити точно, Карно стверджував, що при постійній температурі не можна видобути тепло з його джерела і перетворити на роботу, не виконуючи більше жодних змін у заданій нам системі чи в навколишньому просторі. Остання фаза дуже важлива. Припустімо, що в запаяному контейнері перебуває стиснене повітря при постійній температурі; ми дозволили йому розширитися. Такий пристрій може виконувати роботу; він може привести в рух пневматичний молот. При розширенні, наприклад, повітря трохи охолоджується, але якщо в нашому розпорядженні дуже велике море, величезний тепловий резервуар, то ми знову зможемо нагріти його. Отже, ми взяли з моря (резервуара) тепло і виконали роботу за допомогою стисненого повітря. Однак Карно не помилився. Адже ми не зуміли залишити все в системі без змін. Щоб знову стиснути повітря, якому ми дозволили розширитися, нам знадобиться виконати додаткову роботу. Покінчивши з цим, ми виявимо, що не тільки не змогли змусити систему працювати при заданій температурі Т, але ще й самі вклали якусь роботу. Ми повинні говорити тільки про такі випадки, коли повний результат усього процесу зводиться до вилучення тепла й перетворення його на роботу, точнісінько так само, як при подоланні тертя кінцевий результат є перетворенням роботи на тепло. Якщо процес зводиться до руху по колу, то систему можна повернути точно у вихідне положення, але кінцевим результатом цього процесу буде перехід у тепло роботи, витраченої на подолання тертя. А чи можна обернути цей процес? Повернути, скажімо, якусь ручку, щоб усе повернулося назад, тертя виконувало корисну роботу, а моря охололи? Карно сказав, що цього не може бути. Давайте і ми припустимо, що це неможливо. Якби це раптом стало можливим, це означало б, що, крім багатьох інших корисних речей, ми змогли б, наприклад, без жодних витрат відібрати тепло у холодного тіла і віддати його гарячому. Тим часом кожен знає, що тепло переходить від гарячого тіла до холодного. Якщо ми просто прикладемо нагріте тіло до холодного і більше нічого робити не будемо, то, наскільки відомо, гаряче тіло ніколи не стане гарячішим, а холодне — холоднішим! Але якби ми змогли виконати роботу, відібравши тепло, скажімо, в океану чи від чогось іншого, не змінивши його температури, то цю роботу можна було б, закликавши на допомогу тертя, знову перетворити на тепло, але вже при іншій температурі. Наприклад, друге плече нашої уявної машини може тертися об щось, що й так уже нагрілося. Повний результат процесу в цьому разі зводиться до охолодження «холодного» тіла, у нашому випадку океану, і нагрівання гарячих частин машини, що труться. Гіпотезу Карно, другий закон термодинаміки, іноді формулюють так: тепло не може перетекти саме собою від холодного тіла до гарячого. Але ми щойно переконалися в еквівалентності цих тверджень. Повторимо їх ще раз. Перше: не можна здійснити процес, єдиним результатом якого є перетворення тепла на роботу при постійній температурі. Друге: тепло не може перетекти саме собою від холодного тіла до гарячого. Ми частіше користуватимемося першим формулюванням. Аналіз роботи теплової машини, проведений Карно, дуже схожий на те, що ми робили в розд. 4 (вип. 1), коли вивчали підіймальні машини і міркували про закон збереження енергії. Більше того, наведені там аргументи підказані аргументами Карно про роботу теплових машин. Тому деякі міркування в цьому розділі здадуться вам уже знайомими. Припустімо, що «котел» побудованої нами теплової машини підтримується при температурі Т₁. За рахунок відібраного у котла тепла Q₁ пара виконала роботу W і виділила в «конденсорі» тепло Q₂ [температура конденсора дорівнює Т₂ (фіг. 44.3)]. Карно не уточнив, чому дорівнює це тепло, бо не знав першого закону і не припускав, що Q₂ дорівнює Q₁, бо не вірив цьому. Багато хто вважав, що Q₁ і Q₂ однакові, так приписувала калорична теорія. Але Карно цього не припускав, у цьому одна з тонкощів його аргументів. Якщо ж використати перший закон, то ми виявимо, що виділене тепло Q₂ дорівнює теплу Q₁ за вирахуванням виконаної роботи:

(Якби наш процес був циклічним і сконденсована вода надходила б знову в котел, то після кожного циклу при заданій кількості води, що бере участь у циклі, поглиналося б тепло Q₁ і виконувалася б робота W.) А тепер побудуємо іншу машину і подивимося, чи не зможемо ми виконати більшу роботу при тій самій кількості тепла, що виділяється при температурі T₁. У конденсорі підтримуватиметься та сама температура Т₂. Ми використаємо те саме тепло Q₁ з котла і спробуємо виконати більшу роботу, ніж та, яку виконала стара парова машина. Для цього, можливо, доведеться використати іншу рідину, скажімо спирт.