บริการสนับสนุน iTunes ฉันจะติดต่อฝ่ายสนับสนุนด้านเทคนิคของ Apple Russian ได้อย่างไร ฝ่ายสนับสนุนด้านเทคนิคของ Apple

มีหลายสูตรของกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ซึ่งผู้เขียนคือนักฟิสิกส์ ช่างเครื่อง และนักคณิตศาสตร์ชาวเยอรมัน รูดอล์ฟ คลอสเซียส และนักฟิสิกส์และช่างเครื่องชาวอังกฤษ วิลเลียม ทอมสัน ลอร์ดเคลวิน ภายนอกแตกต่างกัน แต่สาระสำคัญเหมือนกัน

สมมุติฐานของ Clausius

รูดอล์ฟ จูเลียส เอ็มมานูเอล เคลาเซียส

กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ เช่นเดียวกับกฎข้อแรก นักฟิสิกส์ ช่างเครื่อง และนักคณิตศาสตร์ชาวเยอรมัน รูดอล์ฟ คลอสเซียส ถือเป็นผู้เขียนสูตรแรกของกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์

« ความร้อนไม่สามารถผ่านจากร่างกายที่เย็นไปยังร่างกายที่ร้อนได้ด้วยตัวมันเอง ". ข้อความนี้ซึ่ง Clasius เรียกว่า " สัจพจน์ความร้อน" ถูกกำหนดขึ้นในปี พ.ศ. 2393 ในงาน "เกี่ยวกับแรงผลักดันของความร้อนและกฎที่สามารถได้รับจากสิ่งนี้สำหรับทฤษฎีความร้อน"“แน่นอน ความร้อนถูกถ่ายโอนจากร่างกายที่มีอุณหภูมิสูงกว่าไปยังร่างกายที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าเท่านั้น ในทิศทางตรงกันข้าม การถ่ายเทความร้อนที่เกิดขึ้นเองนั้นเป็นไปไม่ได้ นั่นคือความหมาย สมมุติฐานของ Clausius ซึ่งกำหนดสาระสำคัญของกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์

กระบวนการย้อนกลับและย้อนกลับไม่ได้

กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์แสดงความสัมพันธ์เชิงปริมาณระหว่างความร้อนที่ระบบได้รับ การเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายใน และงานที่ระบบทำกับวัตถุภายนอก แต่เขาไม่ได้คำนึงถึงทิศทางการถ่ายเทความร้อน และสามารถสันนิษฐานได้ว่าสามารถถ่ายเทความร้อนได้ทั้งจากร่างกายที่ร้อนไปยังที่เย็นและในทางกลับกัน ในขณะเดียวกัน ในความเป็นจริงแล้ว มันไม่ได้เป็นเช่นนั้น หากวัตถุทั้งสองสัมผัสกัน ความร้อนจะถูกถ่ายโอนจากวัตถุที่ร้อนกว่าไปยังวัตถุที่เย็นกว่าเสมอ และกระบวนการนี้เกิดขึ้นเอง ในกรณีนี้ จะไม่มีการเปลี่ยนแปลงใดๆ เกิดขึ้นกับวัตถุภายนอกที่อยู่รอบๆ วัตถุที่สัมผัสกัน กระบวนการดังกล่าวซึ่งเกิดขึ้นโดยไม่ได้ทำงานจากภายนอก (โดยปราศจากการแทรกแซงของกองกำลังภายนอก) เรียกว่า โดยธรรมชาติ . เขาสามารถเป็นได้ พลิกกลับได้และ กลับไม่ได้.

ร่างกายที่ร้อนจะเย็นลงตามธรรมชาติโดยถ่ายเทความร้อนไปยังร่างกายที่เย็นกว่าโดยรอบ และร่างกายที่เย็นจะไม่ร้อนด้วยตัวมันเอง ระบบอุณหพลศาสตร์ในกรณีนี้ไม่สามารถกลับสู่สภาพเดิมได้ กระบวนการดังกล่าวเรียกว่า กลับไม่ได้ . กระบวนการที่ผันกลับไม่ได้ดำเนินไปในทิศทางเดียวเท่านั้น กระบวนการที่เกิดขึ้นเองเกือบทั้งหมดในธรรมชาตินั้นย้อนกลับไม่ได้ เช่นเดียวกับเวลาที่ไม่สามารถย้อนกลับได้

พลิกกลับได้ เรียกว่ากระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ซึ่งระบบผ่านจากสถานะหนึ่งไปยังอีกสถานะหนึ่ง แต่สามารถกลับสู่สถานะเดิมได้ โดยผ่านลำดับย้อนกลับผ่านสถานะสมดุลระดับกลาง ในกรณีนี้ พารามิเตอร์ระบบทั้งหมดจะถูกกู้คืนเป็นสถานะดั้งเดิม กระบวนการที่ผันกลับได้ทำให้ได้งานมากที่สุด อย่างไรก็ตาม ในความเป็นจริง พวกมันไม่สามารถรับรู้ได้ พวกมันสามารถเข้าใกล้ได้เท่านั้น เนื่องจากพวกมันดำเนินไปอย่างช้าๆ ในทางปฏิบัติ กระบวนการดังกล่าวประกอบด้วยสภาวะสมดุลต่อเนื่องกันอย่างต่อเนื่องและเรียกว่า กึ่งสถิต. กระบวนการกึ่งสแตติกทั้งหมดสามารถย้อนกลับได้

ทอมสัน (เคลวิน) สมมุติฐาน

วิลเลียม ทอมสัน, ลอร์ดเคลวิน

งานที่สำคัญที่สุดของอุณหพลศาสตร์คือการได้รับปริมาณงานมากที่สุดด้วยความช่วยเหลือของความร้อน งานสามารถเปลี่ยนเป็นความร้อนได้อย่างง่ายดายโดยไม่มีการชดเชยใด ๆ ตัวอย่างเช่นด้วยความช่วยเหลือของแรงเสียดทาน แต่กระบวนการย้อนกลับของการแปลงความร้อนให้เป็นงานนั้นไม่สมบูรณ์และเป็นไปไม่ได้หากไม่ได้รับพลังงานเพิ่มเติมจากภายนอก

ต้องบอกว่าการถ่ายโอนความร้อนจากร่างกายที่เย็นกว่าไปยังร่างกายที่อุ่นกว่านั้นเป็นไปได้ กระบวนการดังกล่าวเกิดขึ้นในตู้เย็นที่บ้านของเรา แต่ไม่สามารถเกิดขึ้นเอง เพื่อให้ไหลได้จำเป็นต้องมีคอมเพรสเซอร์ที่จะกลั่นอากาศดังกล่าว นั่นคือสำหรับกระบวนการย้อนกลับ (การทำความเย็น) จำเป็นต้องใช้พลังงานจากภายนอก " เป็นไปไม่ได้ที่จะถ่ายเทความร้อนออกจากร่างกายที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าโดยไม่มีการชดเชย ».

ในปี พ.ศ. 2394 วิลเลียม ทอมสัน นักฟิสิกส์และช่างเครื่องชาวอังกฤษ ลอร์ดเคลวิน ได้กำหนดกฎข้อที่สองที่แตกต่างออกไป สัจพจน์ของทอมสัน (เคลวิน) อ่านว่า: “ไม่มีกระบวนการแบบวงกลม ผลลัพธ์เพียงอย่างเดียวคือการผลิตงานโดยการระบายความร้อนของแหล่งกักเก็บความร้อน” . นั่นคือเป็นไปไม่ได้ที่จะสร้างเครื่องยนต์ที่ทำงานเป็นวงจรซึ่งเป็นผลมาจากการทำงานในเชิงบวกเนื่องจากการมีปฏิสัมพันธ์กับแหล่งความร้อนเพียงแหล่งเดียว ท้ายที่สุด ถ้าเป็นไปได้ เครื่องยนต์ความร้อนจะทำงานโดยใช้พลังงานจากมหาสมุทร และแปลงเป็นกลไกได้อย่างสมบูรณ์ ด้วยเหตุนี้ มหาสมุทรจะเย็นลงเนื่องจากพลังงานลดลง แต่ทันทีที่อุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิแวดล้อม กระบวนการถ่ายเทความร้อนที่เกิดขึ้นเองจากวัตถุที่เย็นกว่าไปยังวัตถุที่ร้อนกว่าจะต้องเกิดขึ้น แต่กระบวนการดังกล่าวเป็นไปไม่ได้ ดังนั้นสำหรับการทำงานของเครื่องยนต์ความร้อน จำเป็นต้องมีแหล่งความร้อนอย่างน้อยสองแหล่งที่มีอุณหภูมิต่างกัน

Perpetuum mobile ชนิดที่สอง

ในเครื่องยนต์ความร้อน ความร้อนจะถูกแปลงเป็นงานที่มีประโยชน์เฉพาะเมื่อย้ายจากร่างกายที่ร้อนไปยังร่างกายที่เย็น เพื่อให้เครื่องยนต์ทำงานได้ ความแตกต่างของอุณหภูมิจะถูกสร้างขึ้นระหว่างฮีตซิงก์ (ฮีตเตอร์) และฮีตซิงก์ (ตู้เย็น) เครื่องทำความร้อนจะถ่ายเทความร้อนไปยังของเหลวทำงาน (เช่น แก๊ส) ร่างกายทำงานขยายตัวและทำงาน อย่างไรก็ตาม ไม่ใช่ว่าความร้อนทั้งหมดจะถูกเปลี่ยนเป็นงาน บางส่วนถูกถ่ายโอนไปยังตู้เย็นและบางส่วนก็เข้าสู่ชั้นบรรยากาศ จากนั้นเพื่อให้พารามิเตอร์ของไหลทำงานกลับเป็นค่าดั้งเดิมและเริ่มวงจรใหม่อีกครั้ง สารทำงานจะต้องได้รับความร้อน นั่นคือต้องนำความร้อนออกจากตู้เย็นและถ่ายโอนไปยังเครื่องทำความร้อน ซึ่งหมายความว่าจะต้องถ่ายเทความร้อนจากร่างกายที่เย็นไปยังร่างกายที่อุ่นกว่า และถ้ากระบวนการนี้ดำเนินการได้โดยไม่ต้องใช้พลังงานจากภายนอก เราจะได้เครื่องเคลื่อนที่ถาวรชนิดที่สอง แต่เนื่องจากตามกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ สิ่งนี้เป็นไปไม่ได้ จึงเป็นไปไม่ได้เช่นกันที่จะสร้างเครื่องเคลื่อนที่ถาวรประเภทที่สอง ซึ่งจะแปลงความร้อนให้เป็นงานได้อย่างสมบูรณ์

สูตรที่เท่าเทียมกันของกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์:

1. กระบวนการเป็นไปไม่ได้ผลเพียงอย่างเดียวคือการแปลงปริมาณความร้อนทั้งหมดที่ได้รับจากระบบเป็นงาน
2. เป็นไปไม่ได้ที่จะสร้างเครื่องเคลื่อนที่ถาวรแบบที่สอง.

หลักการการ์โนต์

นิโคลัส ลีโอนาร์ด ซาดี การ์โนต์

แต่ถ้าเป็นไปไม่ได้ที่จะสร้างเครื่องจักรที่มีการเคลื่อนไหวตลอดเวลา ก็เป็นไปได้ที่จะจัดระเบียบวงจรการทำงานของเครื่องยนต์ความร้อนในลักษณะที่มีประสิทธิภาพ (ปัจจัยด้านประสิทธิภาพ) สูงสุด

ในปี 1824 นานก่อนที่คลอสเซียสและทอมสันจะกำหนดสมมติฐานที่กำหนดกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ Nicolas Léonard Sadi Carnot นักฟิสิกส์และนักคณิตศาสตร์ชาวฝรั่งเศสได้ตีพิมพ์ผลงานของเขา "ภาพสะท้อนของพลังขับเคลื่อนของไฟและเครื่องจักรที่สามารถพัฒนาพลังนี้ได้" ในทางอุณหพลศาสตร์ถือเป็นพื้นฐาน นักวิทยาศาสตร์ได้ทำการวิเคราะห์เครื่องยนต์ไอน้ำที่มีอยู่ในขณะนั้นซึ่งมีประสิทธิภาพเพียง 2% และอธิบายการทำงานของเครื่องยนต์ความร้อนในอุดมคติ

ในเครื่องยนต์สูบน้ำ น้ำจะทำงานโดยการตกลงมาจากที่สูง โดยการเปรียบเทียบ Carnot เสนอว่าความร้อนสามารถทำงานได้เช่นกัน โดยย้ายจากร่างกายที่ร้อนไปยังร่างกายที่เย็นกว่า ซึ่งหมายความว่าเพื่อที่จะเครื่องยนต์ความร้อนทำงาน ควรมีแหล่งความร้อน 2 แหล่งที่มีอุณหภูมิต่างกัน คำสั่งนี้เรียกว่า หลักการการ์โนต์ . และเรียกวงจรการทำงานของเครื่องยนต์ความร้อนที่นักวิทยาศาสตร์สร้างขึ้น วงจรการ์โนต์ .

Carnot คิดค้นเครื่องยนต์ความร้อนในอุดมคติที่สามารถทำงานได้ งานที่ดีที่สุดเนื่องจากความร้อนที่ส่งเข้ามา

เครื่องยนต์ความร้อนอธิบายโดย Carnot ประกอบด้วยเครื่องทำความร้อนที่มีอุณหภูมิ ที เอ็น ,น้ำยาทำงานและตู้เย็นพร้อมอุณหภูมิ ที เอ็กซ์ .

วัฏจักรการ์โนต์เป็นกระบวนการที่ผันกลับเป็นวงกลมได้และมี 4 ขั้นตอน - 2 ไอโซเทอร์มอล และ 2 อะเดียแบติก

ขั้นที่หนึ่ง A→B เป็นแบบไอโซเทอร์มอล มันเกิดขึ้นที่อุณหภูมิเดียวกันของเครื่องทำความร้อนและสารทำงาน ที เอ็น . ปริมาณความร้อนระหว่างการสัมผัส ถาม ชม ถูกถ่ายโอนจากเครื่องทำความร้อนไปยังของเหลวทำงาน (ก๊าซในกระบอกสูบ) ก๊าซจะขยายตัวที่อุณหภูมิต่ำกว่าปกติและทำงานเชิงกล

เพื่อให้กระบวนการเป็นวงจร (ต่อเนื่อง) ก๊าซจะต้องกลับคืนสู่พารามิเตอร์เดิม

ในขั้นตอนที่สองของวงจร B→C สารทำงานและตัวทำความร้อนจะถูกแยกออกจากกัน ก๊าซยังคงขยายตัวแบบอะเดียแบติกโดยไม่มีการแลกเปลี่ยนความร้อนกับสิ่งแวดล้อม ในขณะเดียวกันอุณหภูมิจะลดลงเท่ากับอุณหภูมิของตู้เย็น ที เอ็กซ์ และมันก็ทำงานต่อไป

ในขั้นตอนที่สาม C→D สารทำงานที่มีอุณหภูมิ ที เอ็กซ์ สัมผัสกับตู้เย็น ภายใต้การกระทำของแรงภายนอก มันถูกบีบอัดด้วยอุณหภูมิความร้อนและให้ความร้อนออกมาในปริมาณ คิว เอ็กซ์ ตู้เย็น. กำลังดำเนินการกับมัน

ในขั้นตอนที่สี่ G → A สารทำงานจะถูกแยกออกจากตู้เย็น ภายใต้การกระทำของแรงภายนอก มันถูกบีบอัดแบบอะเดียแบติก กำลังดำเนินการกับมัน อุณหภูมิจะเท่ากับอุณหภูมิของเครื่องทำความร้อน ที เอ็น .

ร่างกายทำงานกลับสู่สภาพเดิม กระบวนการวงกลมสิ้นสุดลง รอบใหม่เริ่มต้นขึ้น

ประสิทธิภาพของเครื่องจักรร่างกายที่ทำงานตามวงจร Carnot คือ:

ประสิทธิภาพของเครื่องดังกล่าวไม่ได้ขึ้นอยู่กับการออกแบบ ขึ้นอยู่กับความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างเครื่องทำความร้อนและตู้เย็นเท่านั้น และถ้าอุณหภูมิตู้เย็นเป็นศูนย์สัมบูรณ์ ประสิทธิภาพจะเป็น 100% จนถึงขณะนี้ยังไม่มีใครสามารถคิดสิ่งใดได้ดีขึ้น

น่าเสียดายที่ในทางปฏิบัติไม่สามารถสร้างเครื่องจักรดังกล่าวได้ กระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ที่ผันกลับได้จริงสามารถเข้าใกล้อุดมคติที่มีระดับความแม่นยำต่างกันเท่านั้น นอกจากนี้ในเครื่องยนต์ความร้อนจริงจะมีการสูญเสียความร้อนอยู่เสมอ ดังนั้นประสิทธิภาพของมันจะต่ำกว่าประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนในอุดมคติที่ทำงานตามวัฏจักรการ์โนต์

อุปกรณ์ทางเทคนิคต่างๆ ถูกสร้างขึ้นบนพื้นฐานของวัฏจักรการ์โนต์

ถ้าวัฏจักรการ์โนต์กลับกัน จะได้เครื่องทำความเย็น ท้ายที่สุด ของไหลในการทำงานจะรับความร้อนจากตู้เย็นก่อน จากนั้นจึงเปลี่ยนงานที่ใช้ในการสร้างวัฏจักรให้เป็นความร้อน แล้วจึงส่งความร้อนนี้ไปยังเครื่องทำความร้อน นี่คือวิธีการทำงานของตู้เย็น

วงจร Carnot แบบย้อนกลับยังเป็นหัวใจสำคัญของปั๊มความร้อน ปั๊มดังกล่าวถ่ายโอนพลังงานจากแหล่งที่มีอุณหภูมิต่ำไปยังผู้บริโภคที่มีอุณหภูมิสูงกว่า แต่ไม่เหมือนกับตู้เย็นที่ความร้อนที่แยกออกมาถูกปล่อยออกสู่สิ่งแวดล้อม ในปั๊มความร้อนจะถูกถ่ายโอนไปยังผู้บริโภค

กลับไม่ได้เรียกว่า กระบวนการทางกายภาพซึ่งสามารถไหลได้เองในทิศทางเดียวเท่านั้น

ในทางตรงกันข้าม กระบวนการดังกล่าวสามารถดำเนินการได้ในฐานะหนึ่งในลิงก์ในกระบวนการที่ซับซ้อนกว่าเท่านั้น

กระบวนการเกือบทั้งหมดที่เกิดขึ้นในธรรมชาติจะย้อนกลับไม่ได้ นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าในกระบวนการจริงใด ๆ ส่วนหนึ่งของพลังงานจะกระจายไปเนื่องจากการแผ่รังสีแรงเสียดทาน ฯลฯ ตัวอย่างเช่นความร้อนอย่างที่คุณทราบมักจะผ่านจากร่างกายที่ร้อนกว่าไปยังร่างกายที่เย็นกว่า - นี่คือที่สุด ตัวอย่างทั่วไปของกระบวนการที่ผันกลับไม่ได้ไม่ละเมิดกฎการอนุรักษ์พลังงาน)

นอกจากนี้ ลูกบอล (ลูกตุ้ม) ที่แขวนอยู่บนด้ายเส้นเล็กจะไม่เพิ่มแอมพลิจูดของการแกว่งของมันเอง ในทางกลับกัน เมื่อถูกทำให้เคลื่อนที่โดยแรงภายนอก ในที่สุดมันก็จะหยุดลงเนื่องจากแรงต้านของอากาศและแรงเสียดทานของเกลียว ต่อการระงับ ดังนั้น พลังงานกลที่ส่งไปยังลูกตุ้มจะถูกแปลงเป็นพลังงานภายในของการเคลื่อนที่ที่วุ่นวายของโมเลกุล (อากาศ วัสดุแขวนลอย)

ในทางคณิตศาสตร์ การย้อนกลับไม่ได้ของกระบวนการทางกลนั้นแสดงออกมาในข้อเท็จจริงที่ว่าสมการการเคลื่อนที่ของวัตถุขนาดใหญ่จะเปลี่ยนไปพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงของสัญญาณของเวลา: พวกมันไม่คงที่เมื่อแทนที่ ทีบน - ที. ในกรณีนี้ ความเร่งและแรงที่ขึ้นอยู่กับระยะทางจะไม่เปลี่ยนสัญญาณ ลงชื่อเมื่อเปลี่ยน ทีบน - ทีเปลี่ยนแปลงด้วยความเร็ว ดังนั้นสัญญาณจะเปลี่ยนแรงขึ้นอยู่กับความเร็ว - แรงเสียดทาน นั่นคือเหตุผลที่เมื่อแรงเสียดทานทำงานเสร็จ พลังงานจลน์ของร่างกายจะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานภายในอย่างถาวร

ทิศทางของกระบวนการในธรรมชาติบ่งชี้ กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์

กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์

กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์- หนึ่งในกฎพื้นฐานของอุณหพลศาสตร์ซึ่งกำหนดกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ที่แท้จริงกลับไม่ได้

กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ถูกกำหนดให้เป็นกฎของธรรมชาติโดย N. L. S. Carnot ในปี 1824 จากนั้นโดย W. Thomson (Kelvin) ในปี 1841 และ R. Clausius ในปี 1850 สูตรของกฎหมายนั้นแตกต่างกัน แต่เทียบเท่ากัน

นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน R. Clausius ได้กำหนดกฎหมายไว้ดังนี้: เป็นไปไม่ได้ที่จะถ่ายเทความร้อนจากระบบที่เย็นกว่าไปยังระบบที่ร้อนกว่าหากไม่มีการเปลี่ยนแปลงอื่น ๆ พร้อมกันในทั้งสองระบบหรือร่างกายโดยรอบซึ่งหมายความว่าความร้อนไม่สามารถเคลื่อนที่จากร่างกายที่เย็นกว่าไปยังร่างกายที่ร้อนกว่าได้เอง ( หลักการของคลอสเซียส).

ตามสูตรของทอมสัน กระบวนการที่งานถูกแปลงเป็นความร้อนโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงอื่นใดในสถานะของระบบจะย้อนกลับไม่ได้ กล่าวคือ เป็นไปไม่ได้ที่จะแปลงความร้อนทั้งหมดที่ได้รับจากร่างกายไปสู่งานโดยไม่ทำการเปลี่ยนแปลงสถานะอื่นใด ของระบบ ( หลักการของทอมสัน).

กฎการอนุรักษ์พลังงานระบุว่าปริมาณพลังงานในกระบวนการใด ๆ ยังคงไม่เปลี่ยนแปลง แต่เขาไม่ได้พูดอะไรเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงพลังงานที่เป็นไปได้

การอนุรักษ์พลังงาน ไม่ได้ห้าม, กระบวนการที่มีประสบการณ์ ไม่เกิดขึ้น:

อุ่นร่างกายที่ร้อนกว่าด้วยของที่เย็นกว่า

การแกว่งของลูกตุ้มที่เกิดขึ้นเองจากสภาวะพัก;

เก็บทรายเป็นหิน ฯลฯ

กระบวนการในธรรมชาติมีทิศทางที่แน่นอน ในทางตรงกันข้ามพวกมันไม่สามารถไหลได้เอง กระบวนการทั้งหมดในธรรมชาติจะย้อนกลับไม่ได้(ความแก่และความตายของสิ่งมีชีวิต).

กลับไม่ได้กระบวนการสามารถเรียกว่ากระบวนการดังกล่าว ซึ่งสิ่งที่ตรงกันข้ามสามารถดำเนินการได้ในฐานะหนึ่งในลิงก์ของกระบวนการที่ซับซ้อนมากขึ้นเท่านั้น โดยธรรมชาติเรียกว่ากระบวนการดังกล่าวที่เกิดขึ้นโดยปราศจากอิทธิพลของวัตถุภายนอก ดังนั้นจึงไม่มีการเปลี่ยนแปลงในร่างกายเหล่านี้)

กระบวนการของการเปลี่ยนแปลงของระบบจากสถานะหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่งซึ่งสามารถดำเนินการในทิศทางตรงกันข้ามผ่านลำดับเดียวกันของสถานะสมดุลระดับกลางเรียกว่า พลิกกลับได้. ในกรณีนี้ ตัวระบบเองและส่วนรอบๆ จะกลับสู่สภาพเดิมอย่างสมบูรณ์

กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์บ่งชี้ทิศทางของการเปลี่ยนแปลงพลังงานที่เป็นไปได้ ดังนั้นจึงเป็นการแสดงออกถึงกระบวนการที่ผันกลับไม่ได้ในธรรมชาติ มันถูกสร้างขึ้นโดยการสรุปโดยตรงของข้อเท็จจริงการทดลอง

สูตรของ R. Clausius: เป็นไปไม่ได้ที่จะถ่ายเทความร้อนจากระบบที่เย็นกว่าไปยังระบบที่ร้อนกว่า หากไม่มีการเปลี่ยนแปลงพร้อมกันในทั้งสองระบบหรือร่างกายโดยรอบ

การกำหนดสูตรของ W. Kelvin: เป็นไปไม่ได้ที่จะดำเนินการตามกระบวนการเป็นระยะ ๆ ผลลัพธ์เพียงอย่างเดียวคือได้งานเนื่องจากความร้อนที่นำมาจากแหล่งเดียว

เป็นไปไม่ได้เครื่องเคลื่อนที่ถาวรด้วยความร้อนชนิดที่สองคือ เครื่องยนต์ที่ทำงานเชิงกลโดยการระบายความร้อนของตัวถังเดียว

คำอธิบายของการย้อนกลับไม่ได้ของกระบวนการในธรรมชาติมีการตีความทางสถิติ (ความน่าจะเป็น)

กระบวนการทางกลล้วน ๆ (โดยไม่มีแรงเสียดทาน) สามารถย้อนกลับได้ เช่น ไม่เปลี่ยนแปลง (ไม่เปลี่ยนแปลง) ภายใต้การเปลี่ยนแปลง t → -t สมการการเคลื่อนที่ของแต่ละโมเลกุลนั้นไม่แปรผันตามการเปลี่ยนแปลงของเวลาด้วยเช่นกัน มีเฉพาะกองกำลังที่ขึ้นอยู่กับระยะทาง ซึ่งหมายความว่าสาเหตุของการย้อนกลับไม่ได้ของกระบวนการในธรรมชาติคือร่างกายที่มีขนาดมหึมาประกอบด้วยอนุภาคจำนวนมาก

สถานะที่มองเห็นด้วยตาเปล่ามีลักษณะเฉพาะด้วยพารามิเตอร์ทางอุณหพลศาสตร์หลายตัว (ความดัน ปริมาตร อุณหภูมิ ฯลฯ) สถานะด้วยกล้องจุลทรรศน์นั้นมีลักษณะเฉพาะโดยการตั้งค่าพิกัดและความเร็ว (โมเมนตัม) ของอนุภาคทั้งหมดที่ประกอบกันเป็นระบบ หนึ่งสถานะที่มองเห็นด้วยตาเปล่าสามารถรับรู้ได้ด้วยไมโครสเตตจำนวนมาก

ให้เราแสดงว่า: N คือจำนวนสถานะของระบบทั้งหมด, N 1 คือจำนวนของไมโครสเตตที่รับรู้สถานะนี้, w คือความน่าจะเป็นของสถานะนี้

ยิ่ง N 1 มากเท่าใด ความน่าจะเป็นของมาโครสเตตที่กำหนดก็จะยิ่งมากขึ้น เช่น ระบบก็จะยิ่งอยู่ในสถานะนี้นานขึ้นเท่านั้น วิวัฒนาการของระบบดำเนินไปในทิศทางจากสถานะที่มีความเป็นไปได้ต่ำไปสู่สถานะที่มีความเป็นไปได้สูง เพราะ การเคลื่อนที่เชิงกลเป็นการเคลื่อนที่แบบสั่งการ และการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนจะวุ่นวาย จากนั้นพลังงานกลจะถูกแปลงเป็นพลังงานความร้อน ในการแลกเปลี่ยนความร้อน สถานะที่วัตถุหนึ่งมีอุณหภูมิสูงกว่า (โมเลกุลมีพลังงานจลน์เฉลี่ยสูงกว่า) มีโอกาสน้อยกว่าสถานะที่อุณหภูมิเท่ากัน ดังนั้นกระบวนการถ่ายเทความร้อนจึงเกิดขึ้นในทิศทางของการทำให้อุณหภูมิเท่ากัน

เอนโทรปี - การวัดความผิดปกติ. S - เอนโทรปี

โดยที่ k คือค่าคงที่ของ Boltzmann สมการนี้แสดงให้เห็นความหมายทางสถิติของกฎของอุณหพลศาสตร์ มูลค่าของเอนโทรปีในกระบวนการที่ผันกลับไม่ได้ทั้งหมดจะเพิ่มขึ้น จากมุมมองนี้ ชีวิตคือการต่อสู้อย่างต่อเนื่องเพื่อลดค่าเอนโทรปี เอนโทรปีเกี่ยวข้องกับข้อมูลเพราะ ข้อมูลนำไปสู่การสั่งซื้อ (คุณจะรู้มาก - คุณจะแก่เร็ว ๆ นี้)

กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์เป็นหนึ่งในกฎทั่วไปและพื้นฐานที่สุดของธรรมชาติ ไม่มีกระบวนการใดที่เป็นที่รู้จักอย่างน้อยที่สุด

ในระดับหนึ่งจะมีการละเมิด หากกระบวนการใดถูกห้ามโดยกฎข้อที่หนึ่ง คุณก็มั่นใจได้อย่างแน่นอนว่ามันจะไม่เกิดขึ้น อย่างไรก็ตาม กฎหมายนี้ไม่ได้ระบุถึงทิศทางที่กระบวนการพัฒนาซึ่งเป็นไปตามหลักการอนุรักษ์พลังงาน

ลองอธิบายสิ่งนี้ด้วยตัวอย่าง

ทิศทางของกระบวนการทางความร้อนกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ไม่ได้พูดอะไรเกี่ยวกับทิศทางที่การแลกเปลี่ยนความร้อนเกิดขึ้นระหว่างวัตถุต่างๆ ที่สัมผัสกับความร้อนที่อุณหภูมิต่างกัน ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น การถ่ายเทความร้อนเกิดขึ้นในลักษณะที่อุณหภูมิเท่ากันและระบบทั้งหมดมีแนวโน้มที่จะเข้าสู่สภาวะสมดุลทางความร้อน แต่กฎข้อที่หนึ่งจะไม่ถูกละเมิดหากตรงกันข้าม การถ่ายโอนความร้อนเกิดขึ้นจากร่างกายที่มีอุณหภูมิต่ำไปยังร่างกายที่มีอุณหภูมิสูงกว่า โดยมีเงื่อนไขว่าปริมาณพลังงานภายในทั้งหมดจะไม่เปลี่ยนแปลง อย่างไรก็ตาม ประสบการณ์ในชีวิตประจำวันแสดงให้เห็นว่าสิ่งนี้ไม่เคยเกิดขึ้นเอง

อีกตัวอย่างหนึ่ง: เมื่อก้อนหินตกลงมาจากความสูงระดับหนึ่ง พลังงานจลน์ทั้งหมดของการเคลื่อนที่แบบแปลของมันจะหายไปเมื่อกระทบพื้น แต่พลังงานภายในของหินเองและวัตถุที่อยู่รอบๆ มันเพิ่มขึ้น ดังนั้นกฎการอนุรักษ์พลังงาน แน่นอนไม่ถูกละเมิด แต่กระบวนการย้อนกลับจะไม่ขัดแย้งกับกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ ซึ่งความร้อนจำนวนหนึ่งจะส่งผ่านไปยังหินที่วางอยู่บนพื้นดินจากวัตถุรอบข้าง อันเป็นผลมาจากการที่หินจะลอยขึ้นสู่ความสูงระดับหนึ่ง อย่างไรก็ตาม ไม่เคยมีใครสังเกตเห็นก้อนหินที่กระดอนอย่างเป็นธรรมชาติเช่นนี้มาก่อน

ความไม่เท่ากันของพลังงานประเภทต่างๆเมื่อพิจารณาตัวอย่างเหล่านี้และตัวอย่างอื่นที่คล้ายคลึงกัน เราได้ข้อสรุปว่ากฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ไม่ได้กำหนดข้อจำกัดใด ๆ เกี่ยวกับทิศทางของการเปลี่ยนแปลงพลังงานจากประเภทหนึ่งไปเป็นอีกประเภทหนึ่ง และในทิศทางของการถ่ายเทความร้อนระหว่างวัตถุต่าง ๆ โดยต้องการเพียงการอนุรักษ์ จ่ายพลังงานเต็มที่ในระบบปิด ในขณะเดียวกัน ประสบการณ์แสดงให้เห็นว่าพลังงานประเภทต่างๆ ไม่เท่ากันในแง่ของความสามารถในการเปลี่ยนเป็นประเภทอื่นๆ

พลังงานกลสามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานภายในของร่างกายได้อย่างสมบูรณ์ โดยไม่คำนึงว่าอุณหภูมิของมันจะเป็นอย่างไร แท้จริงแล้ว ร่างกายใดๆ ก็ตามสามารถถูกทำให้ร้อนขึ้นได้จากการเสียดสี ทำให้พลังงานภายในร่างกายเพิ่มขึ้นตามจำนวนที่เท่ากับงานที่ทำ ในทำนองเดียวกัน พลังงานไฟฟ้าสามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานภายในได้อย่างสมบูรณ์ ตัวอย่างเช่น โดยการส่งกระแสไฟฟ้าผ่านความต้านทาน

สำหรับการเปลี่ยนพลังงานภายในกลับเป็นรูปแบบอื่นมีข้อ จำกัด บางประการซึ่งประกอบด้วยข้อเท็จจริงที่ว่าไม่สามารถแปลงพลังงานภายในได้ไม่ว่าในสถานการณ์ใด

เป็นพลังงานรูปแบบอื่นโดยสิ้นเชิง ทิศทางของกระบวนการในธรรมชาติเชื่อมโยงกับลักษณะเฉพาะของการเปลี่ยนแปลงพลังงาน กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ ซึ่งสะท้อนถึงทิศทางของกระบวนการทางธรรมชาติและกำหนดข้อจำกัดเกี่ยวกับทิศทางที่เป็นไปได้ของการเปลี่ยนแปลงพลังงานในระบบที่มองด้วยตาเปล่า ก็เหมือนกฎพื้นฐานอื่นๆ คือเป็นภาพรวมของข้อเท็จจริงการทดลองจำนวนมาก

เพื่อให้จินตนาการถึงเนื้อหาทางกายภาพของกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ได้ชัดเจนยิ่งขึ้น ให้เราพิจารณารายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับคำถามเกี่ยวกับการย้อนกลับของกระบวนการทางความร้อน

กระบวนการย้อนกลับและย้อนกลับไม่ได้หากเงื่อนไขมีการเปลี่ยนแปลงอย่างช้าๆ จนอัตราของกระบวนการที่เกิดขึ้นในระบบภายใต้การพิจารณามีค่าน้อยกว่าอัตราการผ่อนคลายอย่างมีนัยสำคัญ กระบวนการดังกล่าวจะเป็นตัวแทนของสายโซ่ของสภาวะสมดุลที่อยู่ใกล้กัน ดังนั้น กระบวนการดังกล่าวจึงอธิบายด้วยพารามิเตอร์ระดับมหภาคเช่นเดียวกับสภาวะสมดุล กระบวนการที่ช้าเหล่านี้เรียกว่าดุลยภาพหรือกึ่งสถิต ในกระบวนการดังกล่าว ระบบสามารถกำหนดลักษณะของพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น ความดัน อุณหภูมิ ฯลฯ กระบวนการจริงนั้นไม่สมดุลและสามารถพิจารณาถึงความสมดุลได้ด้วยความแม่นยำที่มากหรือน้อย

พิจารณาตัวอย่างต่อไปนี้

ให้ก๊าซอยู่ในภาชนะทรงกระบอกที่ปิดด้วยลูกสูบ ถ้าลูกสูบขยายออกด้วยความเร็วจำกัด การขยายตัวของก๊าซจะเป็นกระบวนการที่ย้อนกลับไม่ได้ อันที่จริง ทันทีที่ขยายลูกสูบออก ความดันก๊าซโดยตรงที่ลูกสูบจะน้อยกว่าในส่วนอื่นของกระบอกสูบ กระบวนการดังกล่าวไม่สามารถดำเนินการย้อนกลับได้ผ่านสถานะระดับกลางเดียวกัน เนื่องจากเมื่อลูกสูบถูกดันกลับด้วยความเร็วจำกัด ก๊าซจะไม่ถูกทำให้หายาก แต่จะถูกบีบอัดใกล้กับลูกสูบ ดังนั้น การขยายตัวหรือหดตัวอย่างรวดเร็วของก๊าซจึงเป็นตัวอย่างของกระบวนการที่ผันกลับไม่ได้

ในการขยายก๊าซในลักษณะย้อนกลับอย่างเคร่งครัด จำเป็นต้องขยายลูกสูบอย่างช้าๆ ในกรณีนี้ ความดันก๊าซจะเท่ากันตลอดทั้งปริมาตรทุกขณะ สถานะของก๊าซจะขึ้นอยู่กับตำแหน่งของลูกสูบ ไม่ใช่ทิศทางการเคลื่อนที่ และกระบวนการจะย้อนกลับได้

ชัดเจนที่สุด กระบวนการขยายตัวของก๊าซกลับไม่ได้นั้นแสดงให้เห็นเมื่อการขยายตัวเกิดขึ้นในความว่างเปล่าโดยไม่มีการทำงานเชิงกล

กระบวนการทั้งหมดที่เกิดขึ้นพร้อมกับการแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างวัตถุที่มีอุณหภูมิต่างกันนั้นไม่สามารถย้อนกลับได้ การถ่ายโอนความร้อนกลับไม่ได้นั้นเห็นได้อย่างชัดเจนโดยเฉพาะอย่างยิ่งในตัวอย่างการปรับอุณหภูมิของวัตถุที่สัมผัสให้เท่ากัน

กระบวนการที่ผันกลับไม่ได้คือกระบวนการที่พลังงานกลถูกแปลงเป็นพลังงานภายในเมื่อมีแรงเสียดทาน ซึ่งมักเรียกว่าการปลดปล่อยความร้อนเนื่องจากแรงเสียดทาน หากไม่มีแรงเสียดทาน กระบวนการทางกลทั้งหมดจะดำเนินการย้อนกลับได้

ดังนั้น กระบวนการสมดุลที่ผันกลับได้จึงเป็นนามธรรม และในทางปฏิบัติ เนื่องจากการมีอยู่ของแรงเสียดทานและการถ่ายเทความร้อน จึงไม่เกิดขึ้น อย่างไรก็ตาม การศึกษากระบวนการสมดุลในอุณหพลศาสตร์ทำให้สามารถระบุได้ว่าควรดำเนินการกระบวนการอย่างไรในระบบจริงเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุด

สูตรต่าง ๆ ของกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ในอดีต การค้นพบกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์นั้นเกี่ยวข้องกับการศึกษาประสิทธิภาพสูงสุดของเครื่องยนต์ความร้อน ซึ่งดำเนินการโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส Sadi Carnot ต่อมา R. Clausius และ W. Thomson (Lord Kelvin) เสนอรูปลักษณ์ที่แตกต่างกัน แต่มีสูตรที่เทียบเท่ากันของกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์

ตามสูตรของคลอสเซียส กระบวนการเป็นไปไม่ได้ ผลลัพธ์เพียงอย่างเดียวคือการถ่ายเทความร้อนจากร่างกายที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าไปยังร่างกายที่มีอุณหภูมิสูงกว่า

ทอมสันกำหนดกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ดังต่อไปนี้: กระบวนการเป็นระยะเป็นไปไม่ได้ ผลลัพธ์สุดท้ายเพียงอย่างเดียวคือประสิทธิภาพการทำงานเนื่องจากความร้อนที่นำมาจากวัตถุหนึ่ง

คำว่า "ผลลัพธ์เดียว" ในสูตรเหล่านี้หมายความว่าไม่มีการเปลี่ยนแปลงอื่นใดนอกจากที่ระบุไว้ในระบบที่อยู่ภายใต้การพิจารณาหรือในเนื้อหาที่ล้อมรอบ รูปแบบเงื่อนไขของกระบวนการดังกล่าวซึ่งถูกห้ามโดยสมมุติฐานของ Clausius แสดงไว้ในรูปที่ 56 และกระบวนการต้องห้ามตามสมมติฐานของทอมสัน - ในรูป 57.

ในสูตรของทอมสัน กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์กำหนดข้อจำกัดเกี่ยวกับการเปลี่ยนพลังงานภายในเป็นพลังงานกล ตามมาจากการกำหนดของทอมสันที่ว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะสร้างเครื่องจักรที่จะทำงานได้โดยการได้รับความร้อนจากสิ่งแวดล้อมเท่านั้น เครื่องจักรสมมุติดังกล่าวถูกเรียกว่าเครื่องเคลื่อนที่ถาวรประเภทที่สอง เนื่องจากพลังงานสำรองภายในโลก มหาสมุทร และชั้นบรรยากาศมีพลังงานสำรองไม่จำกัด เครื่องจักรดังกล่าวจึงเทียบเท่ากับเครื่องเคลื่อนที่ถาวรสำหรับวัตถุประสงค์เชิงปฏิบัติทั้งหมด

เครื่องเคลื่อนที่แบบถาวรประเภทที่สองไม่ขัดแย้งกับกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ ซึ่งแตกต่างจากเครื่องเคลื่อนที่แบบถาวรประเภทที่หนึ่ง นั่นคืออุปกรณ์สำหรับการทำงานโดยไม่ใช้แหล่งพลังงานเลย

ความเท่าเทียมกันของสูตรของคลอสเซียสและทอมสันความเท่าเทียมกันของสูตรของกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์

เสนอโดยคลอสเซียสและทอมสันตั้งขึ้นโดยใช้เหตุผลง่ายๆ

สมมติว่าสมมุติฐานของทอมสันไม่เป็นความจริง จากนั้นจึงเป็นไปได้ที่จะดำเนินการตามกระบวนการดังกล่าว ซึ่งผลลัพธ์เพียงอย่างเดียวคือประสิทธิภาพการทำงานเนื่องจากความร้อนที่นำมาจากแหล่งเดียวที่มีอุณหภูมิ T ตัวอย่างเช่น งานนี้สามารถแปลงได้อย่างสมบูรณ์อีกครั้งโดยแรงเสียดทาน เป็นความร้อนที่ถ่ายโอนไปยังร่างกายที่มีอุณหภูมิสูงกว่า T ผลลัพธ์เพียงอย่างเดียวของกระบวนการผสมดังกล่าวคือการถ่ายเทความร้อนจากร่างกายที่มีอุณหภูมิ T ไปยังร่างกายที่มีอุณหภูมิสูงกว่า แต่สิ่งนี้จะขัดแย้งกับสัจพจน์ของคลอสเซียส ดังนั้น สมมติฐานของคลอสเซียสไม่สามารถเป็นจริงได้หากสมมติฐานของทอมสันผิด

สมมติว่าตอนนี้ ตรงกันข้าม สมมุติฐานของคลอสเซียสไม่ถูกต้อง และเราจะแสดงให้เห็นว่า ในกรณีนี้ สัจพจน์ของทอมสันก็ไม่อาจเป็นจริงได้เช่นกัน มาสร้างเครื่องยนต์ความร้อนธรรมดาที่จะทำงานโดยรับความร้อนจำนวนหนึ่งจากเครื่องทำความร้อน ส่งไปยังตู้เย็นและแปลงส่วนต่างเป็นงาน (รูปที่ 58)

เนื่องจากสมมุติฐานของคลอสเซียสน่าจะผิด จึงเป็นไปได้ที่จะดำเนินการตามกระบวนการ ซึ่งผลลัพธ์เพียงอย่างเดียวคือการถ่ายเทความร้อนในปริมาณที่เท่ากับปริมาณความร้อนจากตู้เย็นไปยังเครื่องทำความร้อน ซึ่งแสดงเป็นแผนผังทางด้านขวาของรูปที่ 58.

ข้าว. 56. แผนผังของอุปกรณ์สมมุติที่มีการละเมิดสมมุติฐานของ Clausius

ข้าว. 57. แผนผังของอุปกรณ์สมมุติซึ่งละเมิดสมมุติฐานของทอมสัน

ข้าว. 58. การรวมอุปกรณ์ที่แสดงในรูป 56 ซึ่งการอ้างสัจพจน์ของคลอสเซียสถูกละเมิด เราได้รับระบบที่บัญญัติของทอมสันถูกละเมิด

เป็นผลให้เครื่องทำความร้อนจะให้ปริมาณความร้อนแก่ร่างกายทำงานของเครื่องยนต์ความร้อน

เครื่องแปลงความร้อนให้เป็นงาน ในตู้เย็นโดยรวมไม่มีการเปลี่ยนแปลงใด ๆ เกิดขึ้นเพราะให้และรับความร้อนในปริมาณที่เท่ากัน ตอนนี้ เป็นที่ชัดเจนว่าโดยการรวมการทำงานของเครื่องยนต์ความร้อนและกระบวนการที่ขัดแย้งกับสมมติฐานของ Clausius เราสามารถได้รับ กระบวนการที่ขัดแย้งกับสมมติฐานของทอมสัน

ดังนั้น สมมุติฐานของคลอสเซียสและทอมสันจึงเป็นทั้งจริงหรือเท็จทั้งคู่ และในแง่นี้ทั้งสองจึงเทียบเท่ากัน ความถูกต้องสำหรับระบบมาโครได้รับการยืนยันโดยข้อเท็จจริงการทดลองที่มีอยู่ทั้งหมด

หลักการของคาราเทโอดอรีเนื้อหาทางกายภาพของกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ในสูตรของคลอสเซียสและทอมสันแสดงเป็นข้อความเกี่ยวกับความเป็นไปไม่ได้ของกระบวนการทางความร้อนที่เฉพาะเจาะจง แต่เป็นไปได้ที่จะกำหนดสูตรที่ไม่ได้ระบุประเภทของกระบวนการซึ่งกฎหมายนี้รับรองความเป็นไปไม่ได้ สูตรนี้เรียกว่าหลักการของคาราเทโอดอรี ตามหลักการนี้ ใกล้กับแต่ละสภาวะสมดุลของระบบอุณหพลศาสตร์ใดๆ มีสภาวะสมดุลอื่นๆ ที่ไม่สามารถบรรลุได้ตั้งแต่สภาวะแรกแบบอะเดียแบติก

ให้เราแสดงความเท่าเทียมกันของสูตรของทอมสันกับหลักการของคาราเทโอโดรี ปล่อยให้ระบบอุณหพลศาสตร์โดยพลการส่งผ่านแบบกึ่งสถิตจากบางสถานะ 1 ไปยังสถานะปิด 2 โดยได้รับความร้อนจำนวนหนึ่งและทำงาน จากนั้นตามกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์

เราส่งคืนระบบแบบอะเดียแบติกจากสถานะ 2 เป็นสถานะ จากนั้นในกระบวนการย้อนกลับจะไม่มีการถ่ายเทความร้อน และกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ให้

งานที่ทำโดยระบบอยู่ที่ไหน การเพิ่ม (1) และ (2) เราจะได้

ความสัมพันธ์ (3) แสดงให้เห็นว่าในกระบวนการวงจรดังกล่าว ระบบได้กลับสู่สถานะเริ่มต้นแล้ว ทำให้ความร้อนที่ได้รับทั้งหมดกลับมาทำงาน แต่สิ่งนี้เป็นไปไม่ได้ตามกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ของทอมสัน ดังนั้น กระบวนการที่เป็นวัฏจักรดังกล่าวจึงไม่สามารถทำได้ ขั้นตอนแรกเป็นไปได้เสมอ: ในขั้นตอนนี้ความร้อนจะถูกส่งไปยังระบบและไม่มีการกำหนดเงื่อนไขอื่นใด ดังนั้น เฉพาะขั้นตอนที่สองเท่านั้นที่เป็นไปไม่ได้ที่นี่ เมื่อตามเงื่อนไขแล้ว ระบบจะต้องกลับสู่สถานะเริ่มต้นแบบอะเดียแบติก กล่าวอีกนัยหนึ่ง

สถานะไม่สามารถเข้าถึงได้จากสถานะ 2 ที่อยู่ใกล้

หลักการของความเป็นไปไม่ได้ของอะเดียแบติกหมายความว่ากระบวนการทางกายภาพจริงเกือบทั้งหมดเกี่ยวข้องกับการถ่ายเทความร้อน: กระบวนการอะเดียแบติกเป็นข้อยกเว้นที่หาได้ยาก ถัดจากแต่ละสภาวะสมดุลยังมีสถานะอื่นอีกมากมาย การเปลี่ยนผ่านที่จำเป็นต้องมีการถ่ายเทความร้อน และมีเพียงไม่กี่สถานะเท่านั้นที่สามารถเข้าถึงได้แบบอะเดียแบติก

จากสูตรข้างต้นของกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ เราสามารถรับผลลัพธ์ของ Carnot สำหรับประสิทธิภาพสูงสุดที่เป็นไปได้ของเครื่องยนต์ความร้อน สำหรับการวนรอบเครื่องยนต์ความร้อนระหว่างเครื่องทำความร้อนที่มีอุณหภูมิคงที่และตู้เย็นที่มีอุณหภูมิ ประสิทธิภาพต้องไม่เกินค่าที่กำหนด

ค่าสูงสุดที่กำหนดโดยสูตร (4) ทำได้สำหรับเครื่องยนต์ความร้อนที่ทำรอบย้อนกลับได้ โดยไม่คำนึงถึงสิ่งที่ใช้เป็นของไหลในการทำงาน การยืนยันนี้ ซึ่งปกติเรียกว่าทฤษฎีบทของการ์โนต์ จะได้รับการพิสูจน์ด้านล่าง

วัฏจักรสามารถผันกลับได้หากประกอบด้วยกระบวนการที่ผันกลับได้ นั่นคือ กระบวนการที่สามารถดำเนินไปในทิศทางใดก็ได้ผ่านสายโซ่เดียวกันของสภาวะสมดุล

ข้าว. 59. Carnot วนบนแผนภาพของก๊าซในอุดมคติ

กระบวนการแบบหมุนกลับทางเดียวที่สามารถดำเนินการได้ระหว่างเครื่องทำความร้อนและตู้เย็นที่มีอุณหภูมิคงที่คือวงจรที่เรียกว่า วงจรการ์โนต์ ซึ่งประกอบด้วยไอโซเทอร์ม 2 ตัวและอะเดียแบต 2 ตัว สำหรับก๊าซในอุดมคติ วัฏจักรดังกล่าวแสดงในรูปที่ 59. ในข้อ 1-2 ก๊าซมีอุณหภูมิเท่ากับอุณหภูมิของเครื่องทำความร้อนและขยายตัวแบบไอโซเทอร์มอลเพื่อรับปริมาณความร้อนจากเครื่องทำความร้อน ในกรณีนี้ ก๊าซจะทำงานในเชิงบวกเท่ากับความร้อนที่ได้รับ ในส่วน 2-3 ก๊าซจะขยายตัวแบบอะเดียแบติกและในเวลาเดียวกันอุณหภูมิจะลดลงจากเป็นค่าเท่ากับอุณหภูมิของตู้เย็น งานที่ทำโดย ก๊าซในส่วนนี้จะเท่ากับการลดลงของพลังงานภายใน ในหัวข้อถัดไป 3-4 ก๊าซจะถูกบีบอัดด้วยความร้อน ในขณะเดียวกันก็ให้ปริมาณความร้อนแก่ตู้เย็นเท่ากับงานที่ทำระหว่างการบีบอัด ในหัวข้อ 4-1 ก๊าซจะถูกบีบอัดแบบอะเดียแบติกจนได้

อุณหภูมิจะไม่เพิ่มขึ้นตามค่า การเพิ่มขึ้นของพลังงานภายในของก๊าซในกรณีนี้จะเท่ากับการทำงานของแรงภายนอกที่กระทำเมื่อก๊าซถูกบีบอัด

วัฏจักรการ์โนต์เป็นกระบวนการปิดเพียงกระบวนการเดียวที่สามารถดำเนินการย้อนกลับได้ แท้จริงแล้ว กระบวนการอะเดียแบติกสามารถผันกลับได้หากดำเนินการอย่างช้าๆ เพียงพอ นั่นคือ กึ่งสถิต กระบวนการไอโซเทอร์มอลเป็นกระบวนการถ่ายเทความร้อนเพียงกระบวนการเดียวที่สามารถดำเนินการในลักษณะย้อนกลับได้ ในกระบวนการอื่นใด อุณหภูมิของของไหลทำงานจะเปลี่ยนไป และตามกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ การแลกเปลี่ยนความร้อนกับฮีตเตอร์หรือตู้เย็นไม่สามารถย้อนกลับได้ การแลกเปลี่ยนความร้อนในที่ที่มีความแตกต่างของอุณหภูมิจำกัดมีลักษณะของการเข้าใกล้สมดุลทางความร้อน และไม่เป็นกระบวนการสมดุล

แน่นอนว่าการแลกเปลี่ยนความร้อนในกรณีที่ไม่มีความแตกต่างของอุณหภูมิเกิดขึ้นอย่างช้าๆ ดังนั้น วัฏจักรการ์โนต์ที่ผันกลับได้จะดำเนินต่อไปอย่างไม่มีกำหนด และกำลังของเครื่องยนต์ความร้อนที่ประสิทธิภาพสูงสุดที่เป็นไปได้ ซึ่งกำหนดโดยสูตร (4) มีแนวโน้มเป็นศูนย์ กระบวนการในเครื่องจักรจริงใดๆ จำเป็นต้องมีลิงก์ที่ย้อนกลับไม่ได้ และด้วยเหตุนี้ ประสิทธิภาพของมันจึงน้อยกว่าขีดจำกัดทางทฤษฎีเสมอ (4)

เงื่อนไขเพื่อประสิทธิภาพสูงสุดการแปลงพลังงานภายในเป็นพลังงานกลตามกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ไม่สามารถดำเนินการได้อย่างสมบูรณ์ ในการแปลงส่วนที่เป็นไปได้สูงสุดของพลังงานภายในให้เป็นพลังงานกล จำเป็นต้องใช้กระบวนการที่ย้อนกลับได้เท่านั้น เพื่ออธิบาย ลองพิจารณาตัวอย่างต่อไปนี้ ปล่อยให้มีร่างกายบางส่วนที่ไม่อยู่ในสภาวะสมดุลทางความร้อนกับสิ่งแวดล้อม เช่น ก๊าซในอุดมคติในกระบอกสูบที่มีลูกสูบซึ่งมีอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิแวดล้อม T (รูปที่ 60) คุณจะทำงานให้ได้มากที่สุดได้อย่างไร โดยมีเงื่อนไขว่าในสถานะสุดท้าย ก๊าซควรมีปริมาตรเท่ากับในสถานะเริ่มต้น

ข้าว. 60. ใช้ประโยชน์สูงสุดจากงานของคุณ

หากอุณหภูมิของก๊าซเท่ากับอุณหภูมิโดยรอบ กล่าวคือ ก๊าซจะอยู่ในสภาวะสมดุลทางความร้อนกับสิ่งแวดล้อม ดังนั้น จึงเป็นไปไม่ได้ที่จะทำงานใดๆ เลย การเปลี่ยนพลังงานภายในเป็นพลังงานกลจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อสถานะเริ่มต้นของระบบทั้งหมดไม่อยู่ในสภาวะสมดุล

แต่ด้วยสถานะเริ่มต้นที่ไม่สมดุล การเปลี่ยนระบบไปสู่สถานะสมดุลไม่จำเป็นต้องมาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในเป็นพลังงานกล ถ้าแค่ติดแก๊ส

การสัมผัสความร้อนกับสิ่งแวดล้อม ป้องกันไม่ให้ขยายตัว ก๊าซจะเย็นลงและจะไม่ทำงานใดๆ ดังนั้นเพื่อให้สามารถทำงานได้จำเป็นต้องให้ก๊าซมีโอกาสขยายตัวโดยคำนึงว่าจะต้องมีการบีบอัดเนื่องจากในสภาวะสุดท้ายก๊าซจะต้องครอบครอง ปริมาณเดียวกับในครั้งแรก

เพื่อให้ได้งานสูงสุด การเปลี่ยนจากสถานะเริ่มต้นไปยังสถานะสุดท้ายจะต้องทำแบบย้อนกลับได้ และสามารถทำได้โดยใช้กระบวนการอะเดียแบติกและไอโซเทอร์มอลเท่านั้น ดังนั้น ก๊าซควรขยายตัวแบบอะเดียแบติกจนกระทั่งอุณหภูมิของก๊าซเท่ากับอุณหภูมิแวดล้อม T จากนั้นจึงบีบอัดด้วยความร้อนที่อุณหภูมินี้จนถึงปริมาตรเดิม (รูปที่ 61) งานที่ทำโดยแก๊สระหว่างการขยายตัวแบบอะเดียแบติก 1-2 ดังที่เห็นได้จากรูป มีจำนวนมากกว่างานที่ต้องทำกับแก๊สระหว่างการบีบอัดแบบไอโซเทอร์มอล 2-3 งานสูงสุดที่สามารถรับได้เมื่อก๊าซผ่านจากสถานะ 1 ไปยังสถานะ 3 เท่ากับพื้นที่ที่แรเงาในรูป 61 สามเหลี่ยมโค้ง 1-2-3.

ความสม่ำเสมอที่ศึกษาของการทำงานของเครื่องยนต์ความร้อนแบบย้อนกลับทำให้สามารถพิจารณาหลักการทำงานของเครื่องทำความเย็นและปั๊มความร้อนได้ ในเครื่องทำความเย็น กระบวนการทั้งหมดเกิดขึ้นในทิศทางตรงกันข้าม (เทียบกับเครื่องยนต์ความร้อน) (รูปที่ 62) เนื่องจากการทำงานของกลไก A ความร้อนจำนวนหนึ่งถูกดึงออกจากอ่างเก็บน้ำที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า ในเวลาเดียวกัน ปริมาณความร้อนที่เท่ากับผลรวมจะถูกถ่ายโอนไปยังอ่างเก็บน้ำที่มีอุณหภูมิสูงกว่า บทบาท ซึ่งโดยปกติจะเล่นโดยสภาพแวดล้อมเนื่องจากความสามารถในการย้อนกลับของเครื่องภายใต้การพิจารณาความสัมพันธ์

ซึ่งตามข้อ (4) ถือได้ว่าเป็นประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนที่สอดคล้องกัน

สำหรับเครื่องทำความเย็น สิ่งที่น่าสนใจที่สุดคือปริมาณความร้อนที่นำมาจากอ่างเก็บน้ำที่เย็นลง จาก (5) สำหรับเรามี

กราฟของการพึ่งพาอุณหภูมิแวดล้อม (สำหรับกระบวนการที่ผันกลับได้) แสดงในรูปที่ 63. จะเห็นได้ว่าที่ , ความร้อนถูกนำออกไป แต่ด้วยความแตกต่างของอุณหภูมิเล็กน้อย อัตราส่วนสามารถรับค่ามากได้ กล่าวอีกนัยหนึ่งคือประสิทธิภาพของเครื่องทำความเย็นที่ใกล้เคียง

ค่าอาจมีขนาดใหญ่มากเนื่องจากปริมาณความร้อนที่นำมาจากตัวระบายความร้อนอาจเกินงาน A ซึ่งในเครื่องทำความเย็นจริงนั้นดำเนินการโดยคอมเพรสเซอร์ที่ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ไฟฟ้า

ในอุณหพลศาสตร์ทางเทคนิคเพื่อกำหนดลักษณะของเครื่องทำความเย็นจะใช้ค่าสัมประสิทธิ์ประสิทธิภาพที่เรียกว่าซึ่งกำหนดเป็นอัตราส่วนของปริมาณความร้อนที่นำมาจากตัวทำความเย็นต่อการทำงานของแรงภายนอก

ซึ่งแตกต่างจากเครื่องยนต์ความร้อน (4) ค่าสัมประสิทธิ์ของประสิทธิภาพสามารถใช้ค่าที่มากกว่าหนึ่งได้

ข้าว. 61. กระบวนการเพื่อให้ได้งานสูงสุดบนไดอะแกรม

ข้าว. 62. แผนผังของเครื่องทำความเย็น

ในการติดตั้งจริงในอุตสาหกรรมและในประเทศ และอื่นๆ ดังที่เห็นได้จาก (7) ค่าสัมประสิทธิ์ของประสิทธิภาพยิ่งมาก ความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิของสิ่งแวดล้อมและตัวระบายความร้อนก็ยิ่งน้อยลงเท่านั้น

ให้เราพิจารณาการทำงานของปั๊มความร้อน กล่าวคือ เครื่องทำความเย็นที่ทำงานเพื่อให้ความร้อนแก่อ่างเก็บน้ำร้อน (ห้องอุ่น) เนื่องจากความร้อนที่นำมาจากอ่างเก็บน้ำเย็น (สภาพแวดล้อม) แผนภาพวงจรของปั๊มความร้อนจะเหมือนกับวงจรของเครื่องทำความเย็น (ดูรูปที่ 62) ซึ่งแตกต่างจากเครื่องทำความเย็นสำหรับปั๊มความร้อน ไม่ใช่ปริมาณความร้อนที่ได้รับจากร่างกายที่ได้รับความร้อนที่เป็นประโยชน์ในทางปฏิบัติ: สำหรับในทำนองเดียวกันกับ (6) เรามี

ในอุณหพลศาสตร์ทางเทคนิค เพื่อระบุลักษณะประสิทธิภาพของปั๊มความร้อน แนะนำให้ใช้ค่าสัมประสิทธิ์ความร้อน eotop เท่ากับ

สูตรข้างต้น (7) และ (9) ใช้ได้สำหรับเครื่องจักรที่พลิกกลับได้ สำหรับเครื่องจักรจริงที่กระบวนการไม่สามารถย้อนกลับได้ทั้งหมดหรือบางส่วน สูตรเหล่านี้จะให้ค่าสัมประสิทธิ์การทำความเย็นและความร้อนโดยประมาณ

ดังนั้นเมื่อใช้ปั๊มความร้อน ห้องอุ่นจะได้รับความร้อนมากกว่าการให้ความร้อนโดยตรง W. Thomson ให้ความสนใจกับสถานการณ์นี้เมื่อเขาเสนอแนวคิดของสิ่งที่เรียกว่าการให้ความร้อนแบบไดนามิกซึ่งมีดังต่อไปนี้ ความร้อนที่ได้จากการเผาไหม้เชื้อเพลิงไม่ได้ใช้เพื่อให้ความร้อนในห้องโดยตรง แต่จะถูกส่งไปยังเครื่องยนต์ความร้อนเพื่อการทำงานเชิงกล ด้วยความช่วยเหลือของงานนี้ปั๊มความร้อนจะเปิดใช้งานซึ่งทำให้ห้องร้อนขึ้น ด้วยความแตกต่างของอุณหภูมิเล็กน้อยระหว่างสภาพแวดล้อมและห้องที่มีความร้อน อุณหภูมิหลังจึงได้รับความร้อนมากกว่าที่ปล่อยออกมาระหว่างการเผาไหม้เชื้อเพลิง สิ่งนี้อาจดูขัดแย้งกัน

ในความเป็นจริงไม่มีความขัดแย้งในปั๊มความร้อนและการให้ความร้อนแบบไดนามิก ซึ่งจะค่อนข้างชัดเจนหากเราใช้แนวคิดเรื่องคุณภาพพลังงานภายใน คุณภาพของพลังงานภายในเป็นที่เข้าใจกันว่าความสามารถในการเปลี่ยนเป็นประเภทอื่น ในแง่นี้ คุณภาพสูงสุดคือลักษณะเฉพาะของพลังงานในรูปแบบกลไกหรือแม่เหล็กไฟฟ้า เนื่องจากสามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานภายในได้อย่างสมบูรณ์ที่อุณหภูมิใดก็ได้ สำหรับพลังงานภายใน คุณภาพของมันจะยิ่งสูงขึ้น อุณหภูมิของร่างกายที่เก็บไว้ก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น กระบวนการที่ผันกลับไม่ได้ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ เช่น การถ่ายเทความร้อนไปยังร่างกายที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า นำไปสู่การเสื่อมค่าของพลังงานภายใน ไปจนถึงคุณภาพที่ลดลง ในกระบวนการย้อนกลับ คุณภาพของพลังงานจะไม่ลดลง เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงพลังงานทั้งหมดสามารถไปในทิศทางตรงกันข้ามได้

ด้วยวิธีการทำความร้อนตามปกติ ความร้อนทั้งหมดที่ถูกปล่อยออกมาระหว่างการเผาไหม้เชื้อเพลิงเมื่อขดลวดถูกทำให้ร้อนด้วยกระแสไฟฟ้าหรือได้รับจากอ่างเก็บน้ำร้อน ฯลฯ จะผ่านเข้าไปในห้องในรูปของความร้อนในปริมาณที่เท่ากัน แต่ที่ต่ำกว่า อุณหภูมิ ซึ่งเป็นค่าเสื่อมคุณภาพของพลังงานภายใน ปั๊มความร้อนหรือระบบทำความร้อนแบบไดนามิกจะกำจัดการแลกเปลี่ยนความร้อนโดยตรงที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ระหว่างวัตถุที่มีอุณหภูมิต่างกัน

ในระหว่างการทำงานของปั๊มความร้อนหรือระบบทำความร้อนแบบไดนามิก คุณภาพของพลังงานภายในที่ถ่ายโอนไปยังห้องอุ่นจากสิ่งแวดล้อมจะเพิ่มขึ้น ด้วยความแตกต่างของอุณหภูมิเล็กน้อย เมื่อคุณภาพของพลังงานนี้ไม่เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ปริมาณของมันจะมากขึ้น ซึ่งอธิบายถึงประสิทธิภาพสูงของปั๊มความร้อนและการให้ความร้อนแบบไดนามิกโดยทั่วไป

ยกตัวอย่างปรากฏการณ์ที่เป็นไปตามกฎการอนุรักษ์พลังงาน แต่ไม่เคยสังเกตพบในธรรมชาติ

ความแตกต่างระหว่างพลังงานประเภทต่างๆ คืออะไร? อธิบายความแตกต่างนี้ด้วยตัวอย่าง

กระบวนการทางความร้อนแบบผันกลับได้คืออะไร? ยกตัวอย่างกระบวนการที่ย้อนกลับได้และย้อนกลับไม่ได้

ระบบทางกายภาพต้องเป็นไปตามข้อกำหนดอะไรบ้างเพื่อให้กระบวนการเชิงกลในนั้นดำเนินการย้อนกลับได้ อธิบายว่าทำไมแรงเสียดทานและการกระจายของพลังงานกลทำให้กระบวนการทั้งหมดไม่สามารถย้อนกลับได้

ให้สูตรต่าง ๆ ของกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ พิสูจน์ความเท่าเทียมกันของสูตรของคลอสเซียสและทอมสัน

หลักการของคาราเทโอดอรีหมายถึงอะไรสำหรับก๊าซในอุดมคติ อธิบายคำตอบของคุณโดยใช้ไดอะแกรมเพื่อแสดงสถานะ

แสดงว่าความหมายทางกายภาพของกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์คือการสร้างการเชื่อมต่อที่แยกกันไม่ออกระหว่างกระบวนการที่ผันกลับไม่ได้จริงในธรรมชาติและการถ่ายเทความร้อน

กำหนดเงื่อนไขที่ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนที่ทำงานบนวงจรที่ย้อนกลับได้จะใกล้เคียงกับเอกภาพ

แสดงว่าวัฏจักรการ์โนต์เป็นเพียงกระบวนการหมุนเวียนแบบย้อนกลับได้สำหรับเครื่องยนต์ที่ใช้อ่างเก็บน้ำความร้อนอุณหภูมิคงที่สองแห่ง

เมื่อพูดถึงเงื่อนไขเพื่อให้ได้งานสูงสุด ความดันบรรยากาศที่กระทำต่อลูกสูบจากภายนอกจะไม่ถูกนำมาพิจารณา การพิจารณาแรงกดดันนี้จะส่งผลต่อเหตุผลและผลลัพธ์ข้างต้นอย่างไร?

ก๊าซในกระบอกสูบที่ปิดด้วยลูกสูบมีอุณหภูมิเท่ากับอากาศโดยรอบ แต่มีความดันสูง (หรือต่ำกว่า) กว่าความดันในบรรยากาศ กระบวนการใดที่ควรใช้ก๊าซเพื่อให้ได้งานที่มีประโยชน์สูงสุดเนื่องจากความไม่สมดุลของระบบ แสดงภาพกระบวนการเหล่านี้บนไดอะแกรม โดยพิจารณาว่าก๊าซในกระบอกสูบเหมาะสมที่สุด

ก๊าซในกระบอกสูบที่ปิดด้วยลูกสูบมีความดันเท่ากับอากาศโดยรอบ แต่มีอุณหภูมิสูงกว่า (หรือต่ำกว่า) กระบวนการใดที่ควรใช้ก๊าซเพื่อให้ได้งานที่มีประโยชน์สูงสุดเนื่องจากความไม่สมดุลของระบบ วาดบนแผนภาพ

พิจารณารูปแบบการให้ความร้อนแบบไดนามิกที่แตกต่างกันสองแบบ ซึ่งเครื่องยนต์ความร้อนจะปล่อยความร้อนออกสู่สิ่งแวดล้อมหรือในห้องที่มีความร้อน แสดงว่าในกรณีที่กระบวนการทั้งหมดสามารถย้อนกลับได้ ทั้งสองแบบแผนจะมีประสิทธิภาพเท่ากัน รูปแบบใดจะมีประสิทธิภาพมากกว่าในระบบจริง เมื่อกระบวนการไม่สามารถย้อนกลับได้อย่างสมบูรณ์