Кричевский И.Р. Понятия и основы термодинамики (1185131), страница 57
Текст из файла (страница 57)
«Невозможно построить периодически действующую машину, вся деятельность которой сводится к поднятию тяжести и охлаждению теплового резервуара» ([7), стр. 97). Ясно сказал и Пуанкаре: «Невозможно привести в действие термическую машину при помощи одного только источника теплоты» [8[. Планк разъясняет, что подобная (неосуществимая) машина не представляла бы собою вечного двигателя. Машина производила бы работу из теплоты, которую источник теплоты отдавал бы машине. Возможность осуществить машину не противоречила бы принципу эквивалентности.
По практической же значимости подобная машина, будь она осуществима, вполне заменила бы вечный двигатель. Если бы можно было создать монотермический двигатель ", то температура Черного моря, используемого в качестве единственного источника теплоты, понизилась бы на один градус после сга лет непрерывной работы двигателя мощностью почти в один миллиард лошадиных сил. Приведенный пример объясняет, почему В. Оствальд [9) предложил назвать монотермический двигатель вечным двигателем второго рода, в отличие от вечного двигателя первого рода.
Осуществление последнего двигателя повлекло бы за собой нарушение принципа эквивалентности. Уравнение (И11, 3) и неравенство (Х1, 2) объединяем в одно выражение: ) йш~(0 «З, иоиотерм ' Одушевленное существо, к тому же, не является закрытой системой. С термодинамикой живой материи можно ознакомиться по 15, 6]. " Его обычно называют изотермическим двигателем, но последний — частный случай монотермического двигателя. Итак: в монотермическом квазнстатическом цикле, независимо от его направления, система не может суммарно произвести работу над источником работы, н источник работы не может суммарно произвести работу над системой; суммарное количество работы всегда равно нулю.
В монотермическом нестатическом цикле, независимо от его направления, система не может суммарно произвести работу над источником работы; всегда источник работы суммарно производит работу над системой. По принципу эквивалентности, система отдает равное количество теплоты только одному источнику теплоты. При рассмотрении квазистатических процессов (глава ЧП1) было показано, что постулат Карно — Томсона и постулат Клаузиуса — эквивалентные друг другу утверждения.
Из справедливости одного постулата следует справедливость другого. Сейчас убедимся, что неосуществимость монотермического двигателя влечет за собой неосуществимость и другого процесса. Оба' направления квазистатического цикла Карно, тепловое и холодильное, равноправны.
При суммарном нулевом количестве работы нельзя (при конечной разности температур) ни «поднять», ни «опустить» теплоту (глава И!1). Но равноправие обоих направлений нарушается для нестатического цикла Карно. Передать (любое) количество теплоты от нагревателя к холодильнику при нулевом суммарном количестве работы возможно: достаточно «коротко замкнуть» два источника теплоты. Но передать количество теплоты от холодильника к нагревателю при нулевом количестве затраченной работы уже невозможно.
Обойти каким бы то ии было образом эту невозможность означало бы в конечном счете осуществить монотермический двигатель. Доказательство приведено в главе ИП. «Теплота имеет необходимую тенденцию «линять», сказали бы мы, если бы дело шло о цвете предмета,— это такой же факт чистого наблюдения, как тот факт, что тела стремятся упасть» [1О). «Теплота не может переходить сама собой от более холодного тела к более теплому», — утверждал Клаузиус ([!1], стр. 133).
Это утверждение (постулат) Клаузиуса надо понимать в широком аспекте. «Ибо, как Клаузиус неоднократно и подробно разьясняет,— это основное положение ни в коем случае не должно просто означать, что тепло непосредственно не переходит от более холодного тела к более теплому; последнее само собой понятно и следует уже из определения температуры.
Настоящий смысл положения Клаузиуса заключается в том, что тепло вообще никаким способом, с помощью какого бы то ни было процесса, не может быть перенесено с более холодного тела на более теплое без того, чтобы не осталось других изменений («компенсаций»). Только пользуясь этим более широким толкованием положения Клаузиуса, можно, исходя из него, делать заключения относительно каких угодно природных процессов» (Я, стр. 93). )в зм«28» 241 Обратимые и необратимые процессы На выводы предыдущего параграфа — неосуществимость моно- термического двигателя и неосуществимость перехода теплоты от холодильника к нагревателю без компенсации — можно взглянуть и с иной точки зрения.
После протекания монотермического нестатического цикла источник работы совершил работу над нашей системой; наша система отдала равное количество теплоты только одному источнику теплоты. Прочие термодинамические «мирки» * — другие источники работы, другие источники теплоты, другие системы — могут участвовать в осуществлении рассматриваемого монотермического нестатического цикла.
Но после завершения нестатического цикла все «мирки» должны быть восстановлены в их первоначальных состояниях. Возможно восстановить первоначальное состояние источника работы, совершившего работу над нашей системой, и первоначальное состояние источника теплоты, получившего теплоту от нашей системы.
Но для этого надо заплатить компенсацию: надо что-то изменить в прочих термодинамических «мирках», других источниках работы, других источниках теплоты, других системах. Но нельзя восстановить первоначальное состояние источника работы и первоначальное состояние источника теплоты без компенсаций: такое некомпенсированное восстановление означало бы осуществимость (неосуществимого) монотермического двигателя. Пример монотермического нестатического цикла — круговой процесс, осуществленный Джоулем для измерения механического эквивалентта теплоты. Грузы опустились, источник работы произвел работу над системой, система отдала теплоту одному источнику теплоты. (По принципу эквивалентности, количество теплоты равно количеству работы.) Сама система совершила круговой процесс. Никаких изменений в системе после окончания кругового процесса, понятно, не произошло.
После окончания нестатического цикла Джоуля изменения произошли только в двух участниках цикла: в источнике работы и одном источнике теплоты. Напоминаем: после окончания квази- статического цикла Карно изменения происходят в трех участниках цикла или не происходят ни в одном из них, Второй пример нестатического цикла. Теплопроводящий прут является нашей системой. Прут повсюду имеет одинаковую тем- * Название «мирок» должно указывать на то, что второе начало классиче. ской термодинамики справедливо для материальных объектов с ограннченными размерами. Это начало, да и закон термического равновесия, нельзя распро. страиять иа всю бесконечную Вселенную; нельзя распространять даже на значительные области Вселенной, термодинамическое поведение которых в сильной степени определяется гравитационным полем (глава;ХЧ).
Размеры систем, для . которых справедлива классическая термодинамика, ограничены не только сверху, но и снизу. Понятия температуры и теплоты утра. чивают смысл в случае систем, состоящих из неболыиого числа молекул. пературу Ть «Коротко замкнем» этим прутом два источника теплоты, с большей температурой Т1 и с меньшей температурой Тз. (Температуры Т, у прута и холодильника одинаковы.) Нагреватель отдает, холодильник получает теплоту. Прервем затем тепловой контакт прута с нагревателем и сохраним контакт прута с холодильником.
Прут примет во всех своих частях начальную температуру Т,. Наша система (прут) дала возможность осуществиться переходу теплоты и пришла в свое первоначальное состояние. Наша система совершила круговой процесс. (Процесс состоял в изменениях температуры прута.) Назовем этот круговой процесс (нестатическнм) циклом Клаузиуса.
Источник теплоты с более высокой температурой отдал некоторое количество теплоты; источник теплоты с более низкой температурой получил то же количество теплоты. В источнике работы и во всех других термодинамических «мирках» никаких изменений не произошло. После окончания нестатического цикла Клаузиуса изменения снова происходят только в двух участниках цикла: в двух источниках теплоты с различными температурами. Первоначальные состояния источника работы и источника теплоты, принявших участие в цикле Джоуля, можно восстановить.
Для этого нужно уплатить компенсацию1 Восстановление без компенсации означало бы следующее. Один источник теплоты отдает количество теплоты. (То количество теплоты, которое источник теплоты получил в нестатическом цикле Джоуля.) Это количество теплоты превращается в равное количество работы. Полученное количество работы мы используем для восстановления первоначального состояния источника работы. Восстановление без компенсации означает, таким образом, возможность осуществить вечный двигатель второго рода. Создание такого двигателя запрещает постулат Карно — Томсона. Можно восстановить первоначальные состояния обоих источи)1ков теплоты, принявших участие в нестатическом цикле Клаузиуса. Снова, как и в нестатическом цикле Джоуля, за восстановление надо уплатить компенсацию! Восстановление без компенсации означало бы следующее.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
