О втором начале термодинамики

Первое начало термодинамики устанавливает существование у всякой равновесной системы однозначной функции состояния – внутренней энергии. Для изолированной системы внутренняя энергия сохраняет свое значение в результате совершающихся в системе процессов. Определяя количественную сторону превращения энергии, первое начало не дает никаких указаний относительно направления протекающих в природе процессов.

Второе начало термодинамики устанавливает существование другой однозначной функции состояния – энтропии, которая в отличие от внутренней энергии может изменяться у изолированной системы: не меняется при равновесных процессах и возрастает при неравновесных. Аналогично ведет себя энтропия и для адиабатически изолированных систем. Второе начало позволяет судить о направлении протекающих процессов. Более того, оно дает возможность удовлетворительно решить вопрос о количественной мере температуры и построить рациональную температурную шкалу, не зависящую от выбора термометрического тела и устройства термометра. Совместно с первым началом второе начало дает термодинамические соотношения между различными макроскопическими параметрами системы.

Второе начало термодинамики получено также эмпирически, в связи с чем существуют различные эквивалентные его формулировки. Открытие его связано с анализом работы тепловых машин. Основоположником второго начала считается С. Карно, который в своем знаменитом сочинении "О движущей силе огня и о машинах, способных развить эту силу" задолго до открытия первого начала Майером, Джоулем и Гельмгольцем исследовал условия превращения теплоты в работу. Карно сравнивал работу теплового двигателя с работой двигателя водяного. В последнем производство работы связано с падением воды с более высокого уровня на более низкий. Возможность производства работы тепловыми двигателями обусловлена, по Карно, переходом теплоты от тела более нагретого (нагреватель) к телу менее нагретому (холодильник). Исходя из этой аналогии, Карно вывел ряд правильных положений. Однако Карно стоял тогда на точке зрения теплорода и ему не удалось дать ясную и четкую формулировку второго начала. Это было сделано в 1850–1851 гг. независимо друг от друга немецким физиком Р. Клаузиусом и шотландским физиком В. Томсоном. Они, по-новому обосновывая теорему Карно о независимости КПД предложенного им цикла от природы вещества, положили основание тому, что теперь входит в содержание второго начала термодинамики.