Второй закон термодинамики позволяет охарактеризовать условия, при которых возможно получить работу в данной системе. Возможность получения работы в изолированной системе определяется ее неравновесностью. Таким образом, получение работы в системе определяется не запасом энергии в ней (в изолированной системе запас энергии не меняется), а наличием разности давлений, температур, электрических потенциалов и т.д.
В технической термодинамике рассматривается возможность получения механической работы за счет использования внутренней тепловой энергии тел. Поэтому исключим из рассмотрения химические и внутриатомные процессы, действие гравитационных, магнитных, электрических и других полей, а также вопросов использования кинетической энергии видимого движения вещества (последнее будет рассмотрено в разделе "истечение").
С учетом выше сказанного, в изолированной термодинамической системе возможно получение механической работы при наличии в ней механической (разность давлений) или термической (разность температур) неравновесности, или того и другого одновременно. Например, имеем баллон со сжатым воздухом и тело, имеющее высокую температуру, оба объекта находятся в окружающей среде с постоянными параметрами. В случае баллона имеется механическая неравновесность, что позволяет системе получить работу, открыв вентиль баллона и установив воздушный двигатель (вертушку). В случае горячего тела имеется термическая неравновесность, что позволяет получить работу с помощью теплового двигателя, в качестве холодного тела здесь выступает окружающая среда.
В обоих случаях возможность получения работы исчерпывается, когда система приходит в состояние термодинамического равновесия. Но система может прийти в состояние равновесия и без совершения полезной работы в результате протекания в ней необратимых процессов. Например, можно выпустить воздух из баллона в атмосферу или охладить горячее тело за счет его взаимодействия с окружающей средой без совершения полезной работы.
Таким образом, при переходе системы из неравновесного состояния в равновесное полезная работа зависит от характера процесса такого перехода. Наибольшая работа получается в том случае, когда система переходит в равновесное состояние при протекании в ней только обратимых процессов. При протекании таких процессов отсутствуют потери возможной работы на трение и на необратимый теплообмен, а обратимые циклы имеют максимальный КПД, т.е. максимальная доля теплоты горячего источника превращается в работу.
Проанализировав выше изложенное, можно сделать два важных вывода, которые имеют непосредственное отношение ко второму закону термодинамики:
1. В изолированной системе возможно получить работу только в том случае, если она не находится в состоянии термодинамического равновесия. Работоспособность системы исчерпывается при достижении в ней равновесного состояния.
2. Наибольшая возможная работа может быть получена при переходе системы из неравновесного состояния в равновесное, при протекании в ней только обратимых процессов.
| предыдущий параграф | содержание | следующий параграф |