Drugi zakon termodinamike ukazuje. Drugi zakon termodinamike

Prvi zakon termodinamike jedan je od najopćenitijih i temeljnih zakona prirode. Barem nije poznat proces

u određenoj bi mjeri došlo do njegovog kršenja. Ako je bilo koji proces zabranjen prvim zakonom, onda možete biti potpuno sigurni da se to nikada neće dogoditi. Međutim, ovaj zakon ne daje nikakvu naznaku smjera u kojem se odvijaju procesi koji zadovoljavaju načelo očuvanja energije.

Objasnimo to primjerima.

Smjer toplinskih procesa. Prvi zakon termodinamike ne govori ništa o smjeru u kojem se odvija izmjena topline između tijela koja dolaze u toplinski kontakt na različitim temperaturama. Kao što je gore objašnjeno, prijenos topline se događa na takav način da se temperature izjednače i cijeli sustav teži stanju toplinske ravnoteže. Ali prvi zakon ne bi bio prekršen ako bi, naprotiv, došlo do prijenosa topline s tijela s nižom temperaturom na tijelo s višom temperaturom, pod uvjetom da bi ukupna opskrba unutarnje energije ostala nepromijenjena. No, svakodnevno iskustvo pokazuje da se to nikada ne događa samo od sebe.

Drugi primjer: kada kamen padne s određene visine, sva kinetička energija njegovog translatornog gibanja nestane kad udari o tlo, ali se unutarnja energija samog kamena i tijela koja ga okružuju povećava, tako da zakon održanja energije , naravno, nije prekršen. Ali obrnuti proces ne bi proturječio prvom zakonu termodinamike, u kojem bi određena količina topline prešla na kamen koji leži na tlu od okolnih predmeta, uslijed čega bi se kamen podigao na određenu visinu. Međutim, nitko nikada nije promatrao tako spontano poskakivanje kamenja.

Neekvivalentnost različitih vrsta energije. Razmišljajući o ovim i drugim sličnim primjerima, dolazimo do zaključka da prvi zakon termodinamike ne postavlja nikakva ograničenja na smjer transformacije energije iz jedne vrste u drugu i na smjer prijenosa topline između tijela, zahtijevajući samo očuvanje puna opskrba energijom u zatvorenim sustavima. U međuvremenu, iskustvo pokazuje da različite vrste energije nisu ekvivalentne u smislu sposobnosti transformacije u druge vrste.

Mehanička energija može se u potpunosti pretvoriti u unutarnju energiju bilo kojeg tijela, bez obzira na njegovu temperaturu. Doista, svako se tijelo može zagrijati trenjem, povećavajući svoju unutarnju energiju za iznos jednak obavljenom radu. Na isti se način električna energija može potpuno pretvoriti u unutarnju energiju, na primjer, propuštanjem električne struje kroz otpor.

Za obrnutu transformaciju unutarnje energije u druge oblike postoje određena ograničenja, koja se sastoje u činjenici da se zaliha unutarnje energije ni pod kojim uvjetima ne može pretvoriti

potpuno u druge oblike energije. Usmjeravanje procesa u prirodi povezano je s uočenim značajkama transformacija energije. Drugi zakon termodinamike, koji odražava smjer prirodnih procesa i nameće ograničenja na moguće smjerove energetskih transformacija u makroskopskim sustavima, je, kao i svaki temeljni zakon, generalizacija velikog broja eksperimentalnih činjenica.

Da bismo si jasnije predočili fizički sadržaj drugog zakona termodinamike, razmotrimo detaljnije pitanje reverzibilnosti toplinskih procesa.

Reverzibilni i ireverzibilni procesi. Ako se uvjeti mijenjaju dovoljno sporo tako da je brzina procesa koji se odvija u promatranom sustavu znatno manja od brzine relaksacije, tada će takav proces fizički predstavljati lanac ravnotežnih stanja bliskih jedno drugom. Stoga se takav proces opisuje istim makroskopskim parametrima kao i stanje ravnoteže. Ovi spori procesi nazivaju se ravnotežni ili kvazistatički. U takvim procesima sustav se može karakterizirati parametrima kao što su tlak, temperatura itd. Stvarni procesi su neravnotežni i mogu se smatrati ravnotežnima s većom ili manjom točnošću.

Razmotrite sljedeće primjere.

Neka se plin nalazi u cilindričnoj posudi zatvorenoj klipom. Ako se klip rasteže konačnom brzinom, tada će širenje plina biti nepovratan proces. Doista, čim se klip ispruži, tlak plina izravno na klipu bit će manji nego u drugim dijelovima cilindra. Takav se proces ne može izvesti reverzibilno kroz ista međustanja, budući da kada se klip gura unatrag konačnom brzinom, plin neće biti razrijeđen, već komprimiran u blizini klipa. Stoga je brzo širenje ili skupljanje plina primjer nepovratnog procesa.

Da bi se plin ekspandirao na strogo reverzibilan način, potrebno je produžiti klip beskonačno sporo. U tom će slučaju tlak plina u svakom trenutku biti isti u cijelom volumenu, stanje plina ovisit će o položaju klipa, a ne o smjeru njegova kretanja, a proces će biti reverzibilan.

Najjasnije se ireverzibilnost procesa širenja plina očituje kada se širenje odvija u prazninu bez mehaničkog rada.

Svi procesi praćeni izmjenom topline između tijela koja imaju različite temperature nepovratni su. Nepovratnost takvog prijenosa topline posebno se jasno vidi na primjeru izjednačavanja temperatura tijela koja se dovode u dodir.

Ireverzibilni su procesi u kojima se mehanička energija pretvara u unutarnju uz prisustvo trenja, što se često naziva oslobađanje topline uslijed trenja. U nedostatku trenja, svi mehanički procesi odvijali bi se reverzibilno.

Dakle, ravnotežni reverzibilni procesi su apstrakcija, au praksi se zbog postojanja trenja i prijenosa topline ne događaju. Međutim, proučavanje ravnotežnih procesa u termodinamici omogućuje ukazivanje na to kako bi se procesi trebali odvijati u stvarnim sustavima da bi se dobili najbolji rezultati.

Razne formulacije drugog zakona termodinamike. Povijesno gledano, otkriće drugog zakona termodinamike bilo je povezano s proučavanjem maksimalne učinkovitosti toplinskih motora, koje je proveo francuski znanstvenik Sadi Carnot. Kasnije su R. Clausius i W. Thomson (Lord Kelvin) predložili izgledom različite, ali ekvivalentne formulacije drugog zakona termodinamike.

Prema Clausiusovoj formulaciji nemoguć je proces čiji bi jedini rezultat bio prijenos topline s tijela s nižom temperaturom na tijelo s višom temperaturom.

Thomson je formulirao drugi zakon termodinamike na sljedeći način: nemoguć je periodični proces čiji bi jedini krajnji rezultat bio izvršenje rada zbog topline oduzete jednom tijelu.

Izraz "jedan rezultat" u ovim formulacijama znači da se nikakve druge promjene osim navedenih ne događaju niti u sustavima koji se razmatraju niti u tijelima koja ih okružuju. Uvjetna shema takvog procesa, zabranjena Clausiusovim postulatom, prikazana je na sl. 56, a proces zabranjen Thomsonovim postulatom - na si. 57.

U Thomsonovoj formulaciji, drugi zakon termodinamike nameće ograničenja na transformaciju unutarnje energije u mehaničku energiju. Iz Thomsonove formulacije proizlazi da je nemoguće izgraditi stroj koji bi obavljao rad samo dobivanjem topline iz okoline. Takav hipotetski stroj nazvan je perpetuum mobile druge vrste, budući da bi, zbog neograničenih rezervi unutarnje energije u zemlji, oceanu, atmosferi, takav stroj za sve praktične svrhe bio ekvivalent perpetuum mobile stroju.

Perpetuum mobile druge vrste nije u suprotnosti s prvim zakonom termodinamike, za razliku od perpetuum mobile prve vrste, tj. uređaja za obavljanje rada bez ikakvog korištenja izvora energije.

Ekvivalencija formulacija Clausiusa i Thomsona. Ekvivalentnost formulacija drugog zakona termodinamike,

koji su predložili Clausius i Thomson uspostavljen je jednostavnim razmišljanjem.

Pretpostavimo da Thomsonov postulat nije istinit. Tada je moguće provesti takav proces, čiji bi jedini rezultat bio obavljanje rada zbog topline preuzete iz jednog izvora s temperaturom T. Taj bi se rad mogao, primjerice, trenjem ponovno potpuno pretvoriti u toplinu koja se prenosi na tijelo čija je temperatura viša od T. Jedini rezultat takvog složenog procesa bio bi prijenos topline s tijela s temperaturom T na tijelo s višom temperaturom. Ali to bi proturječilo Clausiusovom postulatu. Dakle, Clausiusov postulat ne može biti istinit ako je Thomsonov postulat pogrešan.

Pretpostavimo sada da, naprotiv, Clausiusov postulat ne vrijedi i pokazat ćemo da u ovom slučaju ni Thomsonov postulat ne može biti ispunjen. Sagradimo obični toplinski stroj koji će raditi tako što će primiti određenu količinu topline od grijača, predati je hladnjaku i tu razliku pretvoriti u rad (slika 58).

Budući da bi Clausiusov postulat trebao biti pogrešan, moguće je provesti proces čiji će jedini rezultat biti prijenos količine topline jednake onoj iz hladnjaka u grijač. Ovo je shematski prikazano na desnoj strani sl. 58.

Riža. 56. Shematski dijagram hipotetskog uređaja u kojem je prekršen Clausiusov postulat

Riža. 57. Shematski dijagram hipotetskog uređaja u kojem se krši Thomsonov postulat

Riža. 58. Kombinirajući s toplinskim strojem uređaj prikazan na si. 56, u kojem je povrijeđen Clausiusov postulat, dobivamo sustav u kojem je povrijeđen Thomsonov postulat

Kao rezultat toga, grijač će dati radnom tijelu toplinskog stroja određenu količinu topline

Stroj pretvara toplinu u rad. U hladnjaku kao cjelini ne dolazi do nikakvih promjena, jer daje i prima istu količinu topline. Sada je jasno da se kombinacijom djelovanja toplinskog stroja i procesa koji je u suprotnosti s Clausiusovim postulatom može dobiti proces koji je u suprotnosti s Thomsonovim postulatom.

Stoga su postulati Clausiusa i Thomsona ili istiniti ili oba netočni, iu tom su smislu ekvivalentni. Njihovu valjanost za makroskopske sustave potvrđuju sve dostupne eksperimentalne činjenice.

Načelo Carathéodoryja. Fizikalni sadržaj drugog zakona termodinamike u formulacijama Clausiusa i Thomsona izražen je kao tvrdnja o nemogućnosti specifičnih toplinskih procesa. Ali moguće je dati formulaciju koja ne specificira vrstu procesa, čiju nemogućnost ovaj zakon potvrđuje. Ova se formulacija naziva Carathéodoryjev princip. Prema ovom principu, u blizini svakog ravnotežnog stanja bilo kojeg termodinamičkog sustava postoje druga ravnotežna stanja koja su iz prvog adijabatski nedostižna.

Pokažimo ekvivalentnost Thomsonove formulacije i Carathéodoryjeva principa. Neka proizvoljni termodinamički sustav kvazistatički prelazi iz nekog stanja 1 u blisko stanje 2, primajući određenu količinu topline i vršeći rad Tada, u skladu s prvim zakonom termodinamike

Vraćamo sustav adijabatski iz stanja 2 u stanje Tada, u takvom obrnutom procesu, nema prijenosa topline, a prvi zakon termodinamike daje

gdje je rad koji obavlja sustav. Zbrajanjem (1) i (2) dobivamo

Relacija (3) pokazuje da je u takvom cikličkom procesu sustav, vrativši se u početno stanje, svu primljenu toplinu pretvorio u rad. Ali to je nemoguće prema Thomsonovom drugom zakonu termodinamike. Dakle, takav ciklički proces nije izvediv. Njegova prva faza je uvijek moguća: u ovoj fazi se toplina jednostavno dovodi u sustav i ne postavljaju se nikakvi drugi uvjeti. Stoga je ovdje nemoguć samo drugi stupanj, kada se prema uvjetu sustav mora adijabatski vratiti u početno stanje. Drugim riječima,

stanje je adijabatski nedostižno od stanja 2 njemu blizu.

Načelo adijabatske nemogućnosti znači da gotovo svi stvarni fizikalni procesi uključuju prijenos topline: adijabatski procesi su rijetka iznimka. Uz svako stanje ravnoteže postoje mnoga druga, čiji prijelaz nužno zahtijeva prijenos topline, a samo se neka od njih mogu postići adijabatski.

Na temelju navedenih formulacija drugog zakona termodinamike mogu se dobiti Carnotovi rezultati za najveću moguću učinkovitost toplinskih strojeva. Za toplinski stroj koji kruži između grijača s fiksnom temperaturom i hladnjaka s temperaturom, učinkovitost ne može prijeći vrijednost

Najveća vrijednost određena formulom (4) postiže se za toplinski stroj koji izvodi reverzibilni ciklus, neovisno o tome što se koristi kao radni fluid. Ova tvrdnja, koja se obično naziva Carnotov teorem, bit će dokazana u nastavku.

Ciklus je reverzibilan ako se sastoji od reverzibilnih procesa, tj. onih koji se mogu odvijati u bilo kojem smjeru kroz isti lanac ravnotežnih stanja.

Riža. 59. Carnotov ciklus na -dijagramu idealnog plina

Jedini reverzibilni ciklički proces koji se može izvesti između grijača i hladnjaka s fiksnim temperaturama je takozvani Carnotov ciklus, koji se sastoji od dvije izoterme i dvije adijabate. Za idealni plin takav je ciklus prikazan na sl. 59. U presjeku 1-2 plin ima temperaturu jednaku temperaturi grijača i izotermno se širi primajući količinu topline od grijača. U tom slučaju plin vrši pozitivan rad jednak primljenoj toplini. U odsječku 2-3 plin se adijabatski širi, a pritom mu temperatura opada od do vrijednosti jednake temperaturi hladnjaka.Rad plina u tom odsječku jednak je smanjenju njegove unutarnje energije. U sljedećoj sekciji 3-4 plin se izotermno komprimira. Istodobno daje hladnjaku količinu topline koja je jednaka radu koji se na njemu vrši tijekom kompresije. U odjeljku 4-1 plin se adijabatski komprimira dok se

temperatura neće porasti na vrijednost Povećanje unutarnje energije plina u ovom je slučaju jednako radu vanjskih sila izvršenom pri komprimiranju plina.

Carnotov ciklus je jedini zatvoreni proces koji se može izvesti na reverzibilan način. Doista, adijabatski procesi su reverzibilni ako se odvijaju dovoljno sporo, tj. kvazistatički. Izotermni procesi su jedini procesi prijenosa topline koji se mogu izvesti na reverzibilan način. U svakom drugom procesu mijenja se temperatura radnog fluida i, prema drugom zakonu termodinamike, izmjena topline s grijačem ili hladnjakom ne može biti reverzibilna: izmjena topline u prisutnosti konačne temperaturne razlike ima karakter približavanja toplinskoj ravnoteži i nije ravnotežni proces.

Naravno, izmjena topline u nedostatku temperaturne razlike odvija se beskonačno sporo. Stoga se reverzibilni Carnotov ciklus nastavlja neograničeno dugo i snaga toplinskog stroja pri najvećoj mogućoj učinkovitosti, određenoj formulom (4), teži nuli. Procesi u bilo kojem stvarnom stroju nužno sadrže ireverzibilne veze, pa je, prema tome, njegova učinkovitost uvijek manja od teorijske granice (4).

uvjete za maksimalne performanse. Transformacija unutarnje energije u mehaničku energiju, kako proizlazi iz drugog zakona termodinamike, ne može se provesti u potpunosti. Da bi se najveći mogući dio unutarnje energije pretvorio u mehaničku energiju, potrebno je koristiti isključivo reverzibilne procese. Za ilustraciju, razmotrite sljedeći primjer. Neka postoji neko tijelo koje nije u toplinskoj ravnoteži s okolinom, na primjer, idealni plin u cilindru s klipom, koji ima temperaturu višu od temperature okoline T (slika 60). Kako dobiti najviše posla, pod uvjetom da u konačnom stanju plin treba zauzimati isti volumen kao u početnom stanju?

Riža. 60. Izvući maksimum iz svog posla

Kad bi temperatura plina bila jednaka temperaturi okoline, tj. plin bi bio u toplinskoj ravnoteži s okolinom, tada bi bilo nemoguće ostvariti bilo kakav rad. Transformacija unutarnje energije u mehaničku može se dogoditi samo kada početno stanje cijelog sustava nije u ravnoteži.

Ali s neravnotežnim početnim stanjem, prijelaz sustava u stanje ravnoteže nije nužno popraćen transformacijom unutarnje energije u mehaničku energiju. Ako samo unesete plin

toplinski kontakt s okolinom, sprječavajući njegovo širenje, plin će se ohladiti i neće se raditi. Dakle, da bi mogao vršiti rad, potrebno je dati plinu priliku da se ekspandira, imajući u vidu da će se tada morati komprimirati, jer prema stanju u konačnom stanju plin mora zauzimati isti volumen kao u početnom stanju.

Da bi se postigao maksimalan rad, prijelaz iz početnog stanja u konačno stanje mora se izvršiti reverzibilno. A to se može učiniti samo pomoću adijabatskih i izotermnih procesa. Dakle, plin treba adijabatski ekspandirati sve dok njegova temperatura ne postane jednaka temperaturi okoline T, a zatim ga izotermno komprimirati na toj temperaturi do prvobitnog volumena (slika 61). Rad koji izvrši plin tijekom adijabatske ekspanzije 1-2, kao što se vidi sa slike, veći je od rada koji će morati izvršiti plin tijekom izotermne kompresije 2-3. Maksimalni rad koji se može postići kada plin prijeđe iz stanja 1 u stanje 3 jednak je površini osjenčanoj na slici. 61 krivocrtni trokut 1-2-3.

Proučene zakonitosti djelovanja reverzibilnog toplinskog stroja omogućuju razmatranje principa funkcioniranja rashladnog stroja i dizalice topline. U rashladnom stroju svi se procesi odvijaju u suprotnom (u odnosu na toplinski stroj) smjeru (slika 62). Izvođenjem mehaničkog rada A, spremniku s nižom temperaturom oduzima se određena količina topline, dok se u spremnik s višom temperaturom prenosi količina topline jednaka zbroju. od kojih obično igra okolina.. Zbog reverzibilnosti razmatranog stroja relacija

što se u skladu s (4) može smatrati djelotvornošću odgovarajućeg toplinskog stroja.

Za rashladni stroj najveći interes predstavlja količina topline preuzeta iz ohlađenog spremnika. Iz (5) za imamo

Grafikon ovisnosti o temperaturi okoline (za reverzibilni proces) prikazan je na sl. 63. Vidi se da je pri , oduzeta toplina. Ali uz malu temperaturnu razliku, omjer može poprimiti velike vrijednosti. Drugim riječima, učinkovitost hladnjaka u blizini

vrijednosti mogu biti vrlo velike, jer količina topline preuzeta od ohlađenih tijela može znatno premašiti rad A, koji u pravim rashladnim strojevima obavlja kompresor pogonjen elektromotorom.

U tehničkoj termodinamici, za karakterizaciju rashladnog stroja, koristi se takozvani koeficijent učinka, koji se definira kao omjer količine topline preuzete od ohlađenih tijela i rada vanjskih sila.

Za razliku od toplinskog stroja (4), koeficijent djelovanja može poprimiti vrijednosti veće od jedan.

Riža. 61. Proces dobivanja maksimalnog rada na -dijagramu

Riža. 62. Shematski prikaz rashladnog stroja

U stvarnim industrijskim i kućanskim instalacijama i više. Kao što je vidljivo iz (7), koeficijent djelovanja je to veći što je razlika između temperatura okoline i hlađenog tijela manja.

Razmotrimo sada rad dizalice topline, odnosno rashladnog uređaja koji grije vrući spremnik (grijanu prostoriju) zahvaljujući toplini preuzetoj iz hladnog spremnika (okolina). Dijagram strujnog kruga dizalice topline identičan je dijagramu rashladnog uređaja (vidi sl. 62). Za razliku od rashladnog stroja za dizalicu topline, količina topline koju prima zagrijano tijelo nije ono što je od praktičnog interesa: Za slično (6) imamo

U tehničkoj termodinamici, za karakterizaciju učinkovitosti dizalica topline, uvodi se tzv. koeficijent grijanja eotop, jednak

Gornje formule (7) i (9) vrijede za reverzibilne strojeve. Za stvarne strojeve, gdje su procesi potpuno ili djelomično nepovratni, ove formule daju procjenu koeficijenata hlađenja i grijanja.

Dakle, pri korištenju dizalice topline grijana prostorija dobiva više topline nego kod izravnog grijanja. W. Thomson je skrenuo pozornost na ovu okolnost kada je predložio ideju takozvanog dinamičkog zagrijavanja, što je kako slijedi. Toplina dobivena izgaranjem goriva ne koristi se za izravno zagrijavanje prostorije, već se šalje toplinskom stroju za mehanički rad. Uz pomoć ovog rada aktivira se toplinska pumpa koja zagrijava prostoriju. Uz malu temperaturnu razliku između okoline i grijane prostorije, potonji dobiva mnogo više topline nego što se oslobađa tijekom izgaranja goriva. Ovo se može činiti paradoksalnim.

U stvarnosti nema paradoksa u dizalici topline i dinamičkom grijanju, što postaje sasvim jasno ako se poslužimo konceptom unutarnje energetske kvalitete. Kvaliteta unutarnje energije shvaća se kao njezina sposobnost transformacije u druge vrste. U tom smislu najvišu kvalitetu karakterizira energija u mehaničkom ili elektromagnetskom obliku, budući da se može potpuno pretvoriti u unutarnju na bilo kojoj temperaturi. Što se tiče unutarnje energije, njezina je kvaliteta to veća što je viša temperatura tijela u kojem je pohranjena. Bilo koji prirodni nepovratni proces, na primjer, prijenos topline na tijelo s nižom temperaturom, dovodi do amortizacije unutarnje energije, do smanjenja njezine kvalitete. U reverzibilnim procesima ne dolazi do smanjenja kvalitete energije, jer sve transformacije energije mogu ići u suprotnom smjeru.

Kod uobičajenog načina grijanja, sva toplina koja se oslobađa tijekom izgaranja goriva kada se zavojnica zagrijava električnom strujom ili dobije iz vrućeg spremnika itd., prelazi u prostoriju u obliku iste količine topline, ali s nižom temperatura, što je kvalitativna deprecijacija unutarnje energije. Dizalica topline ili dinamički sustav grijanja eliminira izravnu ireverzibilnu izmjenu topline između tijela različitih temperatura.

Tijekom rada dizalice topline ili dinamičkog sustava grijanja povećava se kvaliteta unutarnje energije koja se iz okoline prenosi u grijani prostor. S malom temperaturnom razlikom, kada se kvaliteta te energije ne povećava značajno, njena količina postaje veća, što objašnjava visoku učinkovitost dizalice topline i dinamičkog grijanja općenito.

Navedite primjere pojava koje zadovoljavaju zakon održanja energije, ali se usprkos tome nikad ne opažaju u prirodi.

Koja je razlika između različitih vrsta energije? Ilustrirajte ovaj nesrazmjer primjerima.

Što je reverzibilni toplinski proces? Navedite primjere reverzibilnih i ireverzibilnih procesa.

Koje zahtjeve mora zadovoljiti fizički sustav da bi se mehanički procesi u njemu odvijali reverzibilno? Objasnite zašto trenje i rasipanje mehaničke energije čine sve procese nepovratnima.

Navedite različite formulacije drugog zakona termodinamike. Dokažite istovjetnost Clausiusove i Thomsonove formulacije.

Što znači Carathéodoryjev princip za idealni plin? Objasnite svoj odgovor pomoću -dijagrama za predstavljanje njegovog stanja.

Pokazati da je fizikalni smisao drugog zakona termodinamike uspostavljanje neraskidive veze između ireverzibilnosti stvarnih procesa u prirodi i prijenosa topline.

Formulirajte uvjete pod kojima bi učinkovitost toplinskog stroja koji radi na reverzibilnom ciklusu bila blizu jedinici.

Pokažite da je Carnotov ciklus jedini reverzibilni ciklički proces za motor koji koristi dva toplinska spremnika fiksne temperature.

Kada se govori o uvjetima za postizanje maksimalnog rada, atmosferski tlak koji djeluje na klip izvana nije uzet u obzir. Kako će uzimanje u obzir ovog pritiska utjecati na gore navedeno razmišljanje i rezultat?

Plin u cilindru zatvorenom klipom ima istu temperaturu kao okolni zrak, ali viši (ili niži) tlak od tlaka u atmosferi. Koje procese treba provesti s plinom da bi se dobio najveći korisni rad zbog neravnoteže sustava? Prikaži te procese na -dijagramu, smatrajući da je plin u cilindru idealan.

Plin u cilindru zatvorenom klipom ima isti tlak kao okolni zrak, ali višu (ili nižu) temperaturu. Koje procese treba provesti s plinom da bi se dobio najveći korisni rad zbog neravnoteže sustava? Nacrtajte ih na dijagram.

Razmotrimo dvije različite dinamičke sheme grijanja u kojima toplinski stroj odaje toplinu ili okolišu ili grijanoj prostoriji. Pokažite da u slučaju kada su svi procesi reverzibilni, obje sheme imaju istu učinkovitost. Koja će shema biti učinkovitija u stvarnom sustavu, kada se procesi ne mogu smatrati potpuno reverzibilnim?

Zakoni termodinamike nazivaju se i njezinim principima. Zapravo, početak termodinamike nije ništa drugo nego skup određenih postulata koji su u osnovi odgovarajućeg dijela molekularne fizike. Ove odredbe utvrđene su tijekom znanstvenog istraživanja. Istodobno su dokazani eksperimentalno. Zašto se zakoni termodinamike uzimaju kao postulati? Stvar je u tome što se na taj način može aksiomatski graditi termodinamika.

Osnovni zakoni termodinamike

Malo o strukturiranju. Zakoni termodinamike podijeljeni su u četiri skupine od kojih svaka ima svoje značenje. Dakle, što nam principi termodinamike mogu reći?

Prvi i drugi

Prvi zakon govori o tome kako se zakon održanja energije primjenjuje u odnosu na određeni termodinamički sustav. Drugi zakon postavlja neka ograničenja koja se odnose na smjerove termodinamičkih procesa. Točnije, zabranjuju spontani prijenos topline s manje zagrijanog na toplije tijelo. Drugi zakon termodinamike ima alternativno ime: zakon rastuće entropije.

Treći i četvrti

Treći zakon opisuje ponašanje entropije u blizini apsolutne temperaturne nule. Postoji još jedan početak, posljednji. Naziva se "nulti zakon termodinamike". Njegov smisao leži u činjenici da će svaki zatvoreni sustav doći u stanje termodinamičke ravnoteže i neće moći sam iz njega izaći. Štoviše, njegovo početno stanje može biti bilo koje.

Zašto su principi termodinamike važni?

Zakoni termodinamike proučavani su kako bi se opisali makroskopski parametri određenih sustava. U isto vrijeme, konkretni prijedlozi vezani uz mikroskopski uređaj nisu izneseni. Ovo pitanje proučava zasebno, ali druga grana znanosti - statistička fizika. Zakoni termodinamike neovisni su jedni o drugima. Što to znači? Ovo se mora shvatiti na način da je nemoguće izvesti jedan zakon termodinamike iz drugoga.

Prvi zakon termodinamike

Kao što znate, termodinamički sustav karakterizira nekoliko parametara, uključujući unutarnju energiju (označenu slovom U). Potonji nastaje iz kinetičke energije koju imaju sve čestice. To može biti energija translatornog, kao i oscilatornog i rotacijskog gibanja. U ovom trenutku, podsjetimo se da energija može biti ne samo kinetička, već i potencijalna. Dakle, u slučaju idealnih plinova zanemaruje se potencijalna energija. Zato će unutarnju energiju U činiti isključivo kinetička energija gibanja molekula i ovisit će o temperaturi.

Ta se vrijednost - unutarnja energija - drugim riječima naziva funkcija stanja, jer je određena stanjem termodinamičkog sustava. U našem slučaju to je određeno temperaturom plina. Treba napomenuti da unutarnja energija ne ovisi o tome kakav je bio prijelaz u stanje. Pretpostavimo da termodinamički sustav izvodi kružni proces (ciklus, kako se to naziva u molekularnoj fizici). Drugim riječima, sustav, nakon što je napustio početno stanje, prolazi određene procese, ali se kao rezultat vraća u primarno stanje. Tada je lako pogoditi da će promjena unutarnje energije biti jednaka 0.

Kako se mijenja unutarnja energija?

Postoje dva načina za promjenu unutarnje energije idealnog plina. Prva opcija je obaviti posao. Drugi je informirati sustav o jednoj ili drugoj količini topline. Logično je da druga metoda podrazumijeva ne samo prijenos topline, već i njezino povlačenje.

Izjava prvog zakona termodinamike

Može ih biti nekoliko (formulacija), jer svatko voli govoriti drugačije. Ali zapravo suština ostaje ista. Svodi se na činjenicu da se količina topline koja je dovedena u termodinamički sustav troši na mehanički rad idealnog plina i promjenu unutarnje energije. Ako govorimo o formuli ili matematičkom zapisu prvog zakona termodinamike, onda to izgleda ovako: dQ = dU + dA.

Sve veličine koje su dio formule mogu imati različite predznake. Ništa ih ne sprječava da budu negativni. Pretpostavimo da je sustavu dovedena količina topline Q. Tada će se plin zagrijati. S porastom temperature raste i unutarnja energija plina. To jest, i Q i U će imati pozitivne vrijednosti. Ali ako se unutarnja energija plina povećava, počinje se ponašati aktivnije, širiti se. Stoga će i rad biti pozitivan. Možemo reći da posao obavlja sam sustav, plin.

Ako se sustavu oduzme određena količina topline, unutarnja energija se smanjuje, a plin se komprimira. U ovom slučaju već možemo reći da se radi na sustavu, a ne na samom sustavu. Ponovno pretpostavimo da neki termodinamički sustav prolazi kroz ciklus. U ovom slučaju (kao što je ranije spomenuto) promjena unutarnje energije bit će jednaka 0. To znači da će rad koji izvrši plin ili na njemu biti brojčano jednak toplini koja se dovodi ili odvodi sustavu.

Matematički zapis te posljedice naziva se drugom formulacijom prvog zakona termodinamike. Otprilike to zvuči ovako: "U prirodi je nemoguće postojanje motora prve vrste, odnosno motora koji bi obavljao rad koji premašuje toplinu primljenu izvana."

Drugi zakon termodinamike

Lako je pogoditi da je termodinamička ravnoteža karakteristična za sustav u kojemu makroskopske veličine ostaju nepromijenjene u vremenu. To je, naravno, tlak, volumen i temperatura plina. Njihova nepromjenjivost može se graditi na nekoliko uvjeta: nepostojanje toplinske vodljivosti, kemijskih reakcija, difuzije i drugih procesa. Ako je sustav pod utjecajem vanjskih čimbenika bio izbačen iz termodinamičke ravnoteže, s vremenom će se u nju vratiti. Ali ako su ti faktori odsutni. I to će se dogoditi spontano.

Ići ćemo nešto drugačijim putem od onog koji mnogi udžbenici preporučuju. Za početak, upoznajmo se s drugim zakonom termodinamike, a tek onda ćemo shvatiti koje su količine uključene u njega i što one znače. Dakle, u zatvorenom sustavu, u prisutnosti bilo kakvih procesa koji se u njemu odvijaju, entropija se ne smanjuje. Drugi zakon termodinamike zapisan je na sljedeći način: dS >(=) 0. Ovdje će znak > biti pridružen ireverzibilnom procesu, a znak = reverzibilnom.

Što je reverzibilni proces u termodinamici? A to je proces u kojem se sustav vraća (nakon niza nekih procesa) u prvobitno stanje. Štoviše, u ovom slučaju ne ostaju promjene u sustavu ili okolini. Drugim riječima, reverzibilni proces je proces za koji je moguće vratiti se u početno stanje kroz međustanja identična izravnom procesu. Takvih je procesa u molekularnoj fizici vrlo malo. Na primjer, prijenos količine topline s jače zagrijanog tijela na manje zagrijano bit će nepovratan. Slično, u slučaju difuzije dviju tvari, kao i širenja plina po cijelom volumenu.

Entropija

Entropija, koja se odvija u drugom zakonu termodinamike, jednaka je promjeni količine topline podijeljenoj s temperaturom. Formula: dS = dQ/T. Ima određena svojstva.

Drugi zakon povezan je s pojmom entropije, koja je mjera kaosa (ili mjera reda). Drugi zakon termodinamike kaže da se za svemir kao cjelinu entropija povećava.

Postoje dvije klasične definicije drugog zakona termodinamike:

1. Kelvin i Planck: Ne postoji ciklički proces koji izdvaja količinu topline iz spremnika na određenoj temperaturi i u potpunosti pretvara tu toplinu u rad. (Nemoguće je izgraditi povremeni stroj koji ne radi ništa osim podizanja tereta i hlađenja spremnika topline.)
2. Clausius: Ne postoji proces čiji je jedini rezultat prijenos količine topline s manje zagrijanog tijela na jače zagrijano. (Nemoguć je kružni proces čiji bi jedini rezultat bila proizvodnja rada hlađenjem toplinskog rezervoara)

Obje definicije drugog zakona termodinamike oslanjaju se na prvi zakon termodinamike, koji kaže da energija opada. Drugi zakon je vezan uz pojam entropija (S).

Entropija koju generiraju svi procesi, povezana je s gubitkom sposobnosti sustava da obavlja posao. Rast entropije je spontan proces. Ako su volumen i energija sustava konstantni, tada svaka promjena u sustavu povećava entropiju. Ako se volumen ili energija sustava mijenja, entropija sustava se smanjuje. Međutim, entropija svemira se ne smanjuje.

Da bi energija bila iskoristiva, u sustavu moraju postojati područja visoke i niske razine energije. Koristan rad nastaje prijenosom energije iz područja visoke energije u područje niske energije.

• 100% energije ne može se pretvoriti u rad
• Entropija se može stvoriti, ali se ne može uništiti

Učinkovitost toplinskog motora

Učinkovitost toplinskog stroja koji radi između dviju energetskih razina određena je u smislu apsolutnih temperatura

• η = (T h - T c) / T h = 1 - T c / T h
  • η = učinkovitost
  • T h = gornja granica (K)
  • T c = donja granica temperature (K)

Kako bi se postigla maksimalna učinkovitost, T c treba biti što niža. Da bi učinak bio 100%, T c mora biti jednak 0 Kelvina. To je praktički nemoguće, pa je učinkovitost uvijek manja od 1 (manja od 100%).

• Promjena entropije > 0 Nepovratno postupak
• Promjena entropije = 0 Bilateralni proces (reverzibilan)
• promjena entropije< 0 Nemoguće proces (nemoguće)

Entropija mjeri relativnu sposobnost jednog sustava da utječe na drugi. Kada energija prijeđe na nižu energetsku razinu, gdje se smanjuje mogućnost utjecaja na okolinu, entropija se povećava.

Definicija entropije

Entropija u sustavu konstantnog volumena definirana je kao:

• dS = dH/T
  • S = entropija (kJ/kg*K)
  • H \u003d (kJ / kg) (ponekad umjesto dH pišu dQ \u003d količina topline prijavljena sustavu)
  • T = apsolutna temperatura (K - )

Promjena entropije sustava uzrokovana je promjenom sadržaja topline u njemu. Promjena entropije jednaka je promjeni topline sustava podijeljenoj s prosječnom apsolutnom temperaturom (T a):

Toplinski Carnotov ciklus. Carnotov ciklus je idealan termodinamički ciklus.

dS = dH / T a Zbroj vrijednosti (dH / T) za svaki kompletan Carnotov ciklus je 0. To je zato što se svakom pozitivnom H suprotstavlja negativna H vrijednost.

U toplinskom stroju plin se (reverzibilno) zagrijava (reverzibilno) i zatim hladi. Model ciklusa je sljedeći: Pozicija 1 ---() --> Pozicija 2 ---() --> Pozicija 3 ---(izotermna kompresija) --> Pozicija 4 ---(adijabatska kompresija) --> Pozicija 1

• Položaj 1 - položaj 2: Izotermno širenje
  • Izotermno širenje. Na početku procesa radni fluid ima temperaturu T h , odnosno temperaturu grijača. Tada se tijelo dovodi u dodir s grijačem koji mu izotermno (pri stalnoj temperaturi) predaje količinu topline Q H . Istodobno se povećava volumen radne tekućine. Q H \u003d∫Tds \u003d T h (S 2 -S 1) \u003d T h ΔS
• Položaj 2 - položaj 3: Adijabatsko širenje
  • Adijabatsko (izentropsko) širenje. Radna tekućina se odvaja od grijača i nastavlja širiti bez izmjene topline s okolinom. Istovremeno se njegova temperatura smanjuje na temperaturu hladnjaka.
• Pozicija 3 - Pozicija 4: Izotermna kompresija
  • Izotermna kompresija. Radni fluid, koji do tada ima temperaturu T c, dolazi u kontakt s hladnjakom i počinje se izotermno skupljati, dajući hladnjaku količinu topline Q c. Q c \u003d T c (S 2 -S 1) \u003d T c ΔS
• Pozicija 4 - Pozicija 1: Adijabatska kompresija
  • Adijabatska (izentropska) kompresija. Radna tekućina se odvaja od hladnjaka i komprimira bez izmjene topline s okolinom. Istodobno se njegova temperatura povećava do temperature grijača.

U izotermnim procesima temperatura ostaje konstantna, u adijabatskim procesima nema prijenosa topline, što znači da je entropija očuvana. Stoga je Carnotov ciklus zgodno prikazati u koordinatama T i S (temperatura i entropija). Zakoni termodinamike utvrđeni su empirijski (eksperimentalno). Drugi zakon termodinamike je generalizacija eksperimenata koji uključuju entropiju. Poznato je da je dS sustava plus dS okoline jednak ili veći od 0 - zakon neopadajuće entropije . Entropija adijabatski izoliranog sustava se ne mijenja! 100 o C (373 K) na isparavanje = 2 258 kJ/kg

• Promjena specifične entropije:
• dS = dH / T a = (2 258 - 0) / ((373 + 373)/2) = 6.054 kJ/kg*K

Ukupna promjena specifične entropije isparavanja vode je zbroj specifične entropije vode (na 0 o C) plus specifične entropije pare (na 100 o C).

Postoji nekoliko formulacija drugog zakona termodinamike, čiji su autori njemački fizičar, mehaničar i matematičar Rudolf Clausius i britanski fizičar i mehaničar William Thomson, Lord Kelvin. Izvana se razlikuju, ali suština im je ista.

Clausiusov postulat

Rudolf Julije Emmanuel Clausius

Drugi zakon termodinamike, kao i prvi, također je izveden empirijski. Njemački fizičar, mehaničar i matematičar Rudolf Clausius smatra se autorom prve formulacije drugog zakona termodinamike.

« Toplina ne može sama prijeći s hladnog tijela na vruće. ". Ova izjava koju je Clasius nazvao " toplinski aksiom”, formuliran je 1850. godine u djelu “O pokretačkoj sili topline i o zakonima koji se iz toga mogu dobiti za teoriju topline”.“Naravno, toplina se prenosi samo s tijela s višom temperaturom na tijelo s nižom temperaturom. U suprotnom smjeru spontani prijenos topline je nemoguć. To je smisao postulat Clausiusa , koji određuje bit drugog zakona termodinamike.

Reverzibilni i ireverzibilni procesi

Prvi zakon termodinamike pokazuje kvantitativni odnos između topline koju prima sustav, promjene njegove unutarnje energije i rada koji sustav vrši na vanjskim tijelima. Ali on ne uzima u obzir smjer prijenosa topline. I može se pretpostaviti da se toplina može prenositi i s vrućeg tijela na hladno i obrnuto. U međuvremenu, u stvarnosti to nije slučaj. Ako su dva tijela u kontaktu, tada se toplina uvijek prenosi s toplijeg tijela na hladnije. I ovaj se proces događa sam od sebe. U tom slučaju ne dolazi do promjena u vanjskim tijelima koja okružuju tijela u kontaktu. Takav proces koji se odvija bez obavljanja rada izvana (bez intervencije vanjskih sila) naziva se spontano . On može biti reverzibilan i nepovratan.

Spontano se hladeći, vruće tijelo svoju toplinu predaje okolnim hladnijim tijelima. A hladno tijelo nikada neće postati vruće samo od sebe. Termodinamički sustav se u tom slučaju ne može vratiti u prvobitno stanje. Takav proces se zove nepovratan . Ireverzibilni procesi odvijaju se samo u jednom smjeru. Gotovo svi spontani procesi u prirodi nepovratni su, kao što je nepovratno i vrijeme.

reverzibilan naziva se termodinamički proces u kojem sustav prelazi iz jednog stanja u drugo, ali se može vratiti u svoje prvobitno stanje, prolazeći obrnutim redoslijedom kroz međustanja ravnoteže. U tom se slučaju svi parametri sustava vraćaju u prvobitno stanje. Reverzibilni procesi daju najviše posla. Međutim, u stvarnosti ih se ne može ostvariti, može im se samo približiti, budući da se odvijaju beskrajno sporo. U praksi se takav proces sastoji od kontinuiranih uzastopnih ravnotežnih stanja i naziva se kvazistatičan. Svi kvazistatički procesi su reverzibilni.

Thomsonov (Kelvinov) postulat

William Thomson, Lord Kelvin

Najvažnija zadaća termodinamike je postići najveći rad uz pomoć topline. Rad se lako pretvara u toplinu potpuno bez ikakve naknade, na primjer, uz pomoć trenja. Ali obrnuti proces pretvaranja topline u rad nije potpun i nemoguć je bez dobivanja dodatne energije izvana.

Mora se reći da je prijenos topline s hladnijeg tijela na toplije moguć. Takav se proces događa, primjerice, u našem kućnom hladnjaku. Ali to ne može biti spontano. Da bi strujao, potrebno je imati kompresor koji će takav zrak destilirati. Odnosno, za obrnuti proces (hlađenje) potreban je dovod energije izvana. " Nemoguće je prenijeti toplinu s tijela niže temperature bez kompenzacije ».

Godine 1851. britanski fizičar i mehaničar William Thomson, Lord Kelvin, dao je drugačiju formulaciju drugog zakona. Thomsonov (Kelvinov) postulat glasi: “Ne postoji kružni proces čiji bi jedini rezultat bila proizvodnja rada hlađenjem spremnika topline” . To jest, nemoguće je stvoriti motor koji radi ciklički, zbog čega bi se izvršio pozitivan rad zbog njegove interakcije sa samo jednim izvorom topline. Uostalom, kad bi bilo moguće, toplinski bi stroj mogao raditi koristeći, primjerice, energiju oceana i potpuno je pretvarati u mehanički rad. Kao rezultat toga, ocean bi se ohladio zbog smanjenja energije. Ali čim bi njegova temperatura bila ispod temperature okoline, morao bi se dogoditi proces spontanog prijenosa topline s hladnijeg tijela na toplije. Ali takav proces je nemoguć. Dakle, za rad toplinskog stroja potrebna su najmanje dva izvora topline s različitim temperaturama.

Perpetuum mobile druge vrste

Kod toplinskih strojeva toplina se pretvara u koristan rad tek pri prelasku s vrućeg tijela na hladno. Da bi takav motor funkcionirao, u njemu se stvara temperaturna razlika između hladnjaka (grijača) i hladnjaka (hladnjaka). Grijač prenosi toplinu na radni fluid (na primjer, plin). Radno tijelo se širi i vrši rad. Međutim, ne pretvara se sva toplina u rad. Dio se prebaci u hladnjak, a dio, primjerice, jednostavno ode u atmosferu. Zatim, da bi se parametri radne tekućine vratili na prvobitne vrijednosti i ponovno pokrenuli ciklus, potrebno je radnu tekućinu zagrijati, odnosno uzeti toplinu iz hladnjaka i prenijeti na grijač. To znači da se toplina mora prenijeti s hladnog tijela na toplije. A kad bi se taj proces mogao provesti bez opskrbe energijom izvana, dobili bismo perpetuum mobile druge vrste. Ali kako je to prema drugom zakonu termodinamike nemoguće, nemoguće je stvoriti i perpetuum mobile druge vrste, koji bi toplinu u potpunosti pretvarao u rad.

Ekvivalentne formulacije drugog zakona termodinamike:

1. Nemoguć je proces čiji je jedini rezultat pretvaranje u rad cjelokupne količine topline koju sustav primi.
2. Nemoguće je stvoriti perpetuum mobile druge vrste.

Carnotov princip

Nicolas Leonard Sadie Carnot

Ali ako je nemoguće stvoriti perpetuum mobile, onda je moguće organizirati radni ciklus toplinskog stroja na takav način da je učinkovitost (faktor učinkovitosti) maksimalna.

Godine 1824., mnogo prije nego što su Clausius i Thomson formulirali svoje postulate koji definiraju drugi zakon termodinamike, francuski fizičar i matematičar Nicolas Léonard Sadi Carnot objavio je svoj rad "Razmišljanja o pokretačkoj sili vatre i o strojevima sposobnim razviti tu silu." U termodinamici se smatra temeljnim. Znanstvenik je napravio analizu parnih strojeva koji su postojali u to vrijeme, čija je učinkovitost bila samo 2%, te opisao rad idealnog toplinskog stroja.

U vodenom motoru voda radi tako što pada s visine. Po analogiji, Carnot je sugerirao da toplina također može obavljati rad, prelazeći s vrućeg tijela na hladnije. To znači da bi se toplinski stroj radio, trebao bi imati 2 izvora topline s različitim temperaturama. Ova izjava se zove Carnotov princip . I nazvan je ciklus rada toplinskog motora koji je stvorio znanstvenik Carnotov ciklus .

Carnot je smislio idealan toplinski stroj koji bi mogao raditi najbolji mogući posao zbog topline koja mu je dovedena.

Toplinski stroj koji je opisao Carnot sastoji se od grijača koji ima temperaturu T N , radna tekućina i hladnjak s temperaturom T X .

Carnotov ciklus je kružni reverzibilni proces i uključuje 4 faze - 2 izotermne i 2 adijabatske.

Prvi stupanj A→B je izoterman. Odvija se pri istoj temperaturi grijača i radne tekućine T N . Tijekom kontakta, količina topline Q H prelazi s grijača na radni fluid (plin u cilindru). Plin se izotermno širi i vrši mehanički rad.

Da bi proces bio ciklički (kontinuiran), plin se mora vratiti na prvobitne parametre.

U drugom stupnju ciklusa B→C dolazi do odvajanja radnog fluida i grijača. Plin se nastavlja adijabatski širiti bez izmjene topline s okolinom. Istovremeno se njegova temperatura smanjuje na temperaturu hladnjaka. T X i nastavlja raditi.

Na trećem stupnju C→D, radna tekućina ima temperaturu T X , je u kontaktu s hladnjakom. Pod djelovanjem vanjske sile izotermno se sabija i odaje toplinu u količini Q X hladnjak. Na tome se radi.

Na četvrtom stupnju G → A radni fluid će se odvojiti od hladnjaka. Pod djelovanjem vanjske sile dolazi do adijabatskog sabijanja. Na tome se radi. Njegova temperatura postaje jednaka temperaturi grijača T N .

Radno tijelo se vraća u prvobitno stanje. Kružni proces završava. Počinje novi ciklus.

Učinkovitost tjelesnog stroja koji radi prema Carnotovom ciklusu je:

Učinkovitost takvog stroja ne ovisi o njegovom dizajnu. Ovisi samo o razlici temperature između grijača i hladnjaka. A ako je temperatura hladnjaka apsolutna nula, tada će učinkovitost biti 100%. Do sada nitko nije uspio smisliti ništa bolje.

Nažalost, u praksi je nemoguće izgraditi takav stroj. Stvarni reverzibilni termodinamički procesi mogu se približiti idealnim samo s različitim stupnjevima točnosti. Osim toga, u pravom toplinskom stroju uvijek će biti toplinskih gubitaka. Stoga će njegova učinkovitost biti niža od učinkovitosti idealnog toplinskog stroja koji radi prema Carnotovom ciklusu.

Na temelju Carnotovog ciklusa izgrađeni su različiti tehnički uređaji.

Ako se Carnotov ciklus provodi obrnutim redom, tada će se dobiti rashladni stroj. Uostalom, radna tekućina će prvo uzeti toplinu iz hladnjaka, zatim pretvoriti rad utrošen na stvaranje ciklusa u toplinu, a zatim dati ovu toplinu grijaču. Ovako rade hladnjaci.

Obrnuti Carnotov ciklus također je u srcu dizalica topline. Takve pumpe prenose energiju od izvora s niskom temperaturom do potrošača s višom temperaturom. No, za razliku od hladnjaka, kod kojeg se izvučena toplina ispušta u okolinu, kod dizalice topline ona se predaje potrošaču.

Jedan od osnovnih zakona fizike, zakon o neopadanju entropije u izoliranom sustavu.
Za sustav s konstantnom temperaturom postoji određena funkcija stanja S - entropija, koja je definirana na način da
1. Adijabatski prijelaz iz ravnotežnog stanja A u ravnotežno stanje B moguć je samo kada

2. Porast entropije u sporom kvazistatičkom procesu jednak je

Gdje je T temperatura.
Gornja formulacija je vrlo formalna. Postoje mnoge alternativne formulacije drugog zakona termodinamike. Na primjer, Planck je predložio sljedeću formulaciju:
Nemoguće je izgraditi stroj koji kruži, hladi izvor topline ili podiže teret, a da ne uzrokuje bez ikakve promjene priroda.

Konstantin Carathéodory dao je aksiomatski rigoroznu formulaciju
U blizini stanja 1 postoje takva stanja 2, adijabatski prijelazi iz stanja 1 u stanje 2 su nemogući.

Boltzmann je formulirao drugi zakon termodinamike u smislu statističke fizike:
Priroda teži prelasku iz stanja s manjom vjerojatnošću ostvarenja u stanja s većom vjerojatnošću ostvarenja.

Takvi su izrazi uobičajeni.
Nemoguće je izazvati vječni dvigun druge vrste.

Nemoguće je prenijeti toplinu s hladnog tijela na vruće bez utroška energije.

Svaki sustav ima tendenciju kretanja iz reda u nered.

Drugi zakon termodinamike formuliran je sredinom 19. stoljeća, u vrijeme kada su se stvarale teorijske osnove za projektiranje i konstrukciju toplinskih strojeva. Pokusima Mayera i Joulea utvrđena je ekvivalencija toplinske i mehaničke energije (prvi zakon termodinamike). Postavilo se pitanje učinkovitosti toplinskih strojeva. Eksperimentalne studije pokazale su da se dio topline nužno gubi tijekom rada bilo kojeg stroja.
1850-ih i 1860-ih, Clausius je razvio koncept entropije u nizu publikacija. Godine 1865. konačno je odabrao ime za novi koncept. Te su publikacije također dokazale da se toplina ne može u potpunosti pretvoriti u koristan rad, čime je formuliran drugi zakon termodinamike.
Boltzmann je dao statističku interpretaciju drugog zakona termodinamike uvođenjem nove definicije entropije, koja se temeljila na mikroskopskim atomističkim konceptima.
Statistička fizika uvodi novu definiciju entropije, na prvi pogled vrlo različitu od definicije termodinamike. Daje se Boltzmannovom formulom:

Gdje? - broj mikroskopskih stanja koja odgovaraju danom makroskopskom stanju, k B je Boltzmannova konstanta.
Iz statističke definicije entropije očito je da povećanje entropije odgovara prijelazu u takvo makroskopsko stanje, koje karakterizira najveća vrijednost mikroskopskih stanja.
Ako je početno stanje termodinamičkog sustava neravnotežno, on s vremenom prelazi u stanje ravnoteže, povećavajući svoju entropiju. Ovaj proces se odvija samo u jednom smjeru. Obrnuti proces - prijelaz iz ravnotežnog stanja u početno neravnotežno stanje, ne ostvaruje se. Odnosno, protok vremena dobiva smjer.
Zakoni fizike koji opisuju mikroskopski svijet nepromjenjivi su prema promjeni t u -t. Ova izjava vrijedi i za zakone klasične mehanike i za zakone kvantne mehanike. U mikroskopskom svijetu djeluju konzervativne sile, nema trenja, što je rasipanje energije, tj. pretvaranje drugih vrsta energije u energiju toplinskog gibanja, a to je pak povezano sa zakonom neopadajuće entropije.
Zamislite, na primjer, plin u spremniku smještenom u veći spremnik. Ako se otvori ventil manjeg rezervoara, plin će nakon nekog vremena ispuniti veći rezervoar na način da će se njegova gustoća izjednačiti. Prema zakonima mikroskopskog svijeta, postoji i obrnuti proces, kada se plin iz većeg rezervoara skuplja u manju posudu. Ali u makroskopskom svijetu to se nikada ne događa.
Ako entropija svakog izoliranog sustava s vremenom samo raste, a Svemir je izolirani sustav, onda će jednog dana entropija dosegnuti maksimum, nakon čega će bilo kakve promjene u njemu postati nemoguće.
Takva razmatranja koja su se pojavila nakon postavljanja drugog zakona termodinamike, tzv toplinska smrt. O ovoj se hipotezi naširoko raspravljalo u 19. stoljeću.
Svaki proces u svijetu dovodi do rasipanja dijela energije i njenog pretvaranja u toplinu, do sve većeg nereda. Naravno, naš je svemir još uvijek prilično mlad. Termonuklearni procesi u zvijezdama dovode, na primjer, do ravnomjernog protoka energije prema Zemlji. Zemlja jest i ostat će dugo otvoreni sustav koji dobiva energiju iz različitih izvora: od Sunca, iz procesa radioaktivnog raspada u jezgri, tj. U otvorenim sustavima može doći do smanjenja entropije, što dovodi do pojave raznih dobro organizirane strukture.