ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Открытие и развитие второго начала термодинамики из "Техническая термодинамика " Работа Карно появилась в то время, как в науке господствовала теория теплорода, а об эквивалентности тепла и работы еще никто и не догадывался. Карно не мог при своем анализе опираться на закон сохранения энергии. Тем более замечательными и гениальными представляются нам сейчас исследования Кггрно, результаты которых сохранили свою силу доныне, и нет никаких оснований считать, что они утратят свое значение при последующем развитии термодинамики. [c.95] После Карно обоснование второго начала термодинамики занимался Р. Клаузиус. Он исходил из идей Карно и придал выводам последнего большую простоту, однако некоторые из введенных Клаузиусом упрощений оказались впоследствии не вполне точными, а его экстраполяция выводов второго начала на всю Вселенную просто неверной. Значение исследований Клаузиуса состоит в доказательстве того, что второе начало термодинамики может быть выражено в виде утверждения о невозможности для тепла самопроизвольно переходить от менее нагретого к более нагретому телу, а также в форме закона возрас гания энтропии изолированной системы. [c.95] Дальнейшее развитие второго начала термодинамики связано с именами В. Томсона, Н. Н. Шиллера, К. Каратеодори, М. Планка. [c.95] Томсон сформулировал второе начало термодинамики в виде утверждения о невозможности существования теплового двигателя, который производил бы работу только за счет охлаждения одного источника тепла, без того, чтобы в самом теле или окружающих его телах не произошли какие-либо остаточные изменения. [c.95] Каратеодори и Н. Шиллер придали второму началу термодинамики форму утверждения о существовании состояний термодинамиче- ской системы, недостижимых адиабатическим путем. [c.95] Больцман развил новое направление, дав статистическое обоснование второго начала термодинамики. [c.96] Каждая из приведенных выше формулировок второго начала ак-центрировала внимание на каких-либо определенных особенностях макроскопических процессов (понятно, что в качестве определяющих выбирались главнейшие особенности) и в историческом плане отвечала разным этапам развития термодинамики или физики вообще. Все эти формулировки представлялись вполне эквивалентными, пока в 50-х годах текущего столетия не были открыты состояния с отрицательными абсолютными температурами, существенно отличающиеся от обычных состояний, когда абсолютные температуры всегда положительны. [c.96] Важно отметить, что общие законы термодинамики (в том числе второе и третье начала) не содержат каких-либо ограничений в отношении знака абсолютной температуры. Это видно хотя бы из того, что выражение для термического к. п. д. обратимого цикла Карио не приводит к бессмысленному результату при отрицательных Ti и Га (если одновременно 7 i 0 и 7 2 0). Это означает, что состояния с отрицательными абсолютными температурами термодинамически вполне допустимы. [c.96] В 1951 г. при изучении ядерных спинов в чистых кристаллах фтористого лития LiF было обнаружено, что при сложном воздействии сильного магнитного поля или высокочастотного импульса ядериые спины ориентируются в пространстве против поля, г. е. так, как если бы абсолютная температура была отрицательной величиной. Это был первый случай реализации состояний тела с отрицательной абсолютной температурой. [c.96] В настоящее время представляется возможным сделать общие выводы о состояниях с отрицательной температурой. [c.96] Во-первых, область состояний с отрицательной абсолютной температурой лежит над областью положительных абсолютных температур, как показано на рис. 3-22 граница этих областей соответствует бесконечно большим положительным и отрицательным значениям абсолютной температуры энтропия тела изменяется от нуля прп 7 =--fO до некоторого конечного значения при = 00 и затем снова обращается в пуль при 7= —0. [c.96] Что касается различных формулировок второго начала термодинамики, то первая формулировка сохраняет свою силу как при 7 0, так и при КО тепло само по себе переходит всегда лишь от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. [c.97] Вторая формулировка второго начала термодинамики о невозможности вечного двигателя второго рода также сохраняет свою силу, однако вследствие некоторого различия в свойствах систем с Г 0 и 7 0 эту формулировку нужно уточнить следующим образом вечный двигатель второго рода (т. е. устойство, которое полностью превращало бы в работу тепло какого-либо тела, без передачи части этого тепла другим телам) невозможен, причем это утверждение не допускает обращения в случае обычных систем с Г 0 и допускает обращение для необычных систем при Т 0 (невозможность обращения утверждения о вечном двигателе второго рода означает, что если тепло нельзя превратить в работу полностью без компенсации, то работу можно превратить в тепло полностью без всяких компенсаций). [c.97] Формулировка второго начала термодинамики о существовании адиабатически недостижимых состояний также сохраняет свою силу. [c.97] Что касается формулировки второго начала термодинамики в форме Томсона— Планка, то она перестает быть справедливой при Т 0, так как в области отрицательных температур можно осуществить вечный двигатель второго рода в смысле Томсона—Планка, т. е, такой, который производил бы работу только за счет охлаждения одного тела, без каких-либо изменений в других телах. Это ясно из рассмотрения работы двигателя Карно при Т 0 (рис. 3-23) . В случае Т 0 термический к. п. д. цикла 111 будет отрицателен (поскольку 7 2/7 i l) и соответственно q2 q . Это значит, что полезная работа будет положительной, если 9i 0, а дг 0, причем цикл, конечно, должен осуществляться по часовой стрелке. Таким образом, цикл двигателя Карно в области отрицательных температур характеризуется отводом от нижнего источника тепла (Тг Т ) тепла дг и передачей верхнему источнику тепла qi=l—qi, или 9i = l92 —1 -Поскольку с помощью теплового контакта между источниками тепла все количество тепла может быть передано от верхнего источника к нижнему, в результате цикла может быть произведена работа за счет теплоты одного тела (нижнего источника тепла) без каких-либо изменений в окружающих телах. [c.97] Третье свойство систем с 7 0 заключается в невозможности осуществления обратимого цикла Карно между температурами с разными знаками, так как для этого надо было бы обратимо пройти через бесконечно большие температуры, что неосуществимо в действительности переход к состояниям с отрицательной абсолютной температурой происходит неравновесно. [c.97] Открытие состояний с отрицательной температурой обогатило физическое содержание второго начала термодинамики. Вместе с тем оно явилось еще одним свидетельством наряду с проблемой границ применимости, что этот великий принцип природы далеко еще не познан и, следовательно, история второго начала термодинамики отнюдь еще не завершена. [c.97] Второе начало термодинамики ло современным представлениям не является точным законом природы, подобным законам сохранения количества движения или сохранения энергии. Второе начало термодинамики имеет, как подробно будет показано в 3-9, статистический характер и поэтому выполняется лишь в среднем . Это всегда надо иметь в виду, хотя в макроскопических явлениях отклонеиия от второго начала настолько редки, что во всех практических случаях ими можно пренебрегать. [c.97] Вернуться к основной статье