Необратимость. Второй закон термодинамики

Обратимый процесс может идти и в прямом, и в обратном направлении, проходя те же состояния, без изменений в окружающих телах. Пример близкий к обратимому — колебания маятника без трения.

Необратимый процесс самопроизвольно идёт только в одну сторону. Все реальные макроскопические процессы необратимы:

• теплопередача — от горячего тела к холодному, само по себе обратно — никогда;
• маятник с трением останавливается, механическая энергия переходит во внутреннюю, но сама обратно не собирается;
• диффузия: краска растекается по воде, но не собирается обратно в каплю;
• газ расширяется в пустоту, но сам не сжимается в половину сосуда.

Первый закон разрешает любой процесс, лишь бы сохранялась энергия. Второй закон указывает направление процессов.

• Формулировка Клаузиуса (1850): невозможно перевести тепло от более холодной системы к более горячей при отсутствии других одновременных изменений в обеих системах или в окружающих телах.
• Формулировка Томсона (Кельвина): невозможно осуществить циклический процесс, единственным результатом которого было бы получение работы за счёт теплоты, взятой от одного источника.
• Обе формулировки эквивалентны: если бы нарушалась одна, нарушалась бы и другая.

Мировой океан хранит огромную внутреннюю энергию. Двигатель, который охлаждал бы воду океана и всю отнятую теплоту превращал в работу, не противоречил бы первому закону.

Такая машина — вечный двигатель второго рода — запрещена вторым законом: для работы тепловой машины нужен не один, а два тела с разной температурой.

Почему газ не собирается сам в половину сосуда? Каждая молекула с равной вероятностью находится в любой половине. Вероятность, что все $N$ молекул окажутся слева:

• Для $N = 10$: $P \approx 0{,}001$ — изредка бывает.
• Для $1$ см³ воздуха $N \approx 2{,}7 \cdot 10^{19}$: $P = 2^{-2{,}7 \cdot 10^{19}}$ — за всё время существования Вселенной не случится ни разу.
• Необратимый процесс — переход от маловероятного (упорядоченного) состояния к более вероятному (беспорядочному).

1. А — формулировка Клаузиуса, верно.
2. Б — формулировка Томсона: КПД циклического двигателя меньше $100\%$, верно.
3. Ответ — вариант 3.

1. А верно: так работает холодильник — перенос тепла «вверх» за счёт работы компрессора.
2. Б неверно: КПД меньше $100\%$ по второму закону (и не больше по первому).
3. Ответ — вариант 2.

1. $\eta = \dfrac{A'}{Q_1} = \dfrac{100}{50} = 200\%$.
2. Работа за цикл больше полученной теплоты — нарушен уже первый закон. Такая машина невозможна — вариант 4.

• Реальные процессы необратимы: теплопередача, трение, диффузия, расширение в пустоту.
• Клаузиус: тепло само не переходит от холодного тела к горячему.
• Томсон: нельзя циклически превращать в работу всю теплоту одного источника.
• Вечный двигатель второго рода невозможен; КПД любой тепловой машины меньше $100\%$.
• Необратимость — статистическая: система идёт к наиболее вероятному состоянию.