Принцип Клаузиуса

Клаузиус в 1850 г. дал существенно иную формулировку второго начала: "Теплота не может самопроизвольно переходить от тела менее нагретого к телу более нагретому".

Любой воображаемый процесс, в котором осуществляется такая передача теплоты, называется процессом Клаузиуса.

Под теплотой здесь надо понимать внутреннюю энергию. Передачу ее можно осуществить не только с помощью теплового контакта, но и множеством других способов.

В формулировке имеет значение слово "самопроизвольно". Оно содержит тот же смысл, что и словосочетание "без каких-либо изменений во всех остальных телах". Если допустить другие процессы, то передача теплоты от менее нагретого тела к более нагретому возможна. Такие процессы являются компенсирующими процессами (кратко – компенсациями).

Так, в холодильных машинах теплота, заимствованная у менее нагретого тела, передается более нагретому. Это не противоречит второму началу. Здесь имеет место не самопроизвольный процесс, а переход, сопровождающийся работой электромотора. Его работа является компенсацией.

Компенсацией называется изменение термодинамического состояния рабочего тела, если процесс некруговой, или отдача части теплоты рабочим телом другим телам с изменением их термодинамического состояния, если процесс превращения теплоты в работу круговой.

При изотермическом расширении газа (процесс некруговой) компенсацией является изменение состояния газа при подводе к нему теплоты. В тепловых машинах часть теплоты, взятой от нагревателя, превращается в работу, а часть передается холодильнику. Здесь компенсирующим является последний процесс.

Работа и теплота связаны со способами передачи энергии. Необходимость в компенсации вызывается их неравнозначностью. Работа может пойти на увеличение любого вида энергии, причем непосредственно, в том числе на увеличение внутренней энергии (при трении, электрическом нагреве). Подвод теплоты непосредственно приводит только к увеличению внутренней энергии системы. При преобразовании теплоты в работу наряду с охлаждением теплоотдающего тела происходит изменение термодинамического состояния других тел, участвующих в этом процессе. При некруговом процессе изменяется состояние рабочего тела, при круговом процессе – других тел (в частности, в тепловой машине – холодильника).

Итак, теплоту в работу без компенсации превратить нельзя, работа в теплоту превращается полностью без всякой компенсации. Если теплота превращается в работу и за весь круговой процесс у какого-либо тела или у различных тел было взято положительное количество теплоты Q = (δ Q > 0), а совершенная работа равна A, то всегда Q > A; если же работа A (A > 0) превращается в теплоту Q, то всегда A = Q. Совокупность этих двух независимых положений и представляет собой второе начало термодинамики.

Такая неравноправность превращения теплоты в работу и работы в теплоту приводит к односторонности естественных процессов: самопроизвольные процессы в изолированной системе идут в направлении исчезновения потенциально возможной работы. При наличии, к примеру, разности температур двух тел имеется возможность получения работы (потенциально возможная работа); самопроизвольный процесс при тепловом контакте таких тел идет в направлении исчезновения этой возможной работы.