З'ясуємо тепер, чому для практичної роботи двигуна необхідна різниця температур; розглянемо це на прикладі парового двигуна. Нехай у паровому двигуні оборотнього типу, не було б ні конденсатора, ні насоса, щоб пара мала однакову температуру у всій системі. Це означало б, що тиск пари при його випуску був би таким же, як і під час впуску. Тоді робота, яку виконала пара над поршнем при своєму розширенні після впуску, дорівнювала б роботі, що зробив поршень над парою при його випуску; у кінцевому рахунку не було б зроблено ніякої результуючої роботи. У реальному двигуні газ, що випускається, охолоджується до більш низької температури і конденсується, так що тиск при випуску менший, ніж тиск при впуску. Тоді робота, що повинен виконати поршень для виштовхування пари з циліндра на стадії випуску, буде менше, ніж робота, яку виконає пара над поршнем на стадії впуску. У такий спосіб може бути отримана деяка результуюча робота, але для цього, як тепер зрозуміло, необхідна різниця температур. Аналогічно, якби пара в паровій турбіні не охолоджувалася, то й тиск по обох сторонах кожної лопатки був би однаковим і турбіна не стала б обертатися. Охолодження пари з боку лопасті, поверненої до випускного клапана , приводить до того, що тиск пари з боку лопасті, поверненої до впускного клапана, стає більше й у результаті турбіна обертається.

Принцип дії холодильника чи іншого теплового насоса (наприклад, використовується для створення теплового потоку ззовні усередину будинку чи навпаки; в останньому випадку пристрій називається повітряним конденціонером) складається в обертанні робочих стадій теплового двигуна. Використовуючи роботу W, можна відібрати деяку кількість теплоти з області із низькою температурою TL (наприклад, із внутрішнього обсягу холодильника) і потім віддати більшу кількість теплоти в область із високою температурою Тн (наприклад, у кімнату).

1} Навіть на атомних електростанціях (АЕС) застосовуються парові турбіни; ядерне паливо (уран) необхідно лише для нагрівання пари

Ви можете без праці відчути цю теплоту, підносячи руку до задньої стінки холодильника. Робота W відбувається звичайно мотором компресора, що стискає робоче тіло.

Розділ 3

Ефективність теплових двигунів і другий закон термодинаміки

При вивченні роботи теплових двигунів у цьому і наступних розділах ми будемо цікавитися насамперед величинами потоків теплоти. Тому, щоб не задумуватися всякий раз про знак потоку теплоти , що визначає його напрямок (у систему чи з неї), ми будемо тут використовувати для теплоти лише абсолютні значення (|Q|) і необхідний за змістом знак плюс чи мінус.Ефективність будь-якого теплового двигуна визначається його коефіцієнтом корисної дії (ККД). Будемо позначати ККД буквою е і визначати як відношення роботи двигуна W до кількості підведеної теплоти |QH| при високій температурі.

ККД двигуна буде більшим тоді, коли буде менша |QL|. Однак досвід роботи з дуже широким класом двигунів показав, що зменшити величину |QL| до нуля неможливо. Якби це було здійсненно, то ми одержали би двигун з ККД, рівним 100%. Такий ідеальний двигун, який безперервно виконує робочі цикли, неможливий. Саме це лежить в основі ішого формулювання другого початку термодинаміки:

Неможливий періодичний процес, єдиним результатом якого було би перетворення теплоти Q при незмінній температурі цілком у роботу W (так що W= Q).

Це твердження відоме як формулювання другого початку термодинаміки Кельвіна - Планка. Якби заборона, що міститься в ньому, не виконувалася і можна було б побудувати ідеальний двигун, то могли б відбуватися дивні речі. Так, наприклад, якщо б двигуну на кораблі не потрібний був низькотемпературний резервуар (термостат), у який він міг би скидати частину теплоти після стадії випуску, то корабель міг би перепливти океан, користуючись тільки величезними запасами внутрішньої енергії океанських вод. Власне кажучи, відпала б взагалі проблема палива!

Однак усі спроби побудувати ідеальний двигун виявилися марними, і це вважається взагалі неможливим. Аналогічно неможливим виявилося побудувати оборотну систему - ідеальний холодильник, а саме пристрій, за допомогою якого теплоту можна було б переносити з низькотемпературної області у високотемпературну, причому для цього не було б потреби здійснювати будь-яку роботу . Це твердження можна сформулювати так:

Неможливо здійснити періодичний процес, єдиним результатом якого був би відбір теплоти в однієї системи при даній температурі і передача в такій же кількості теплоти іншій системі при більш високій температурі.

Це формулювання другого початку термодинаміки Клаузіуса. Воно узагальнює менш строге твердження про те, що теплота мимоволіно не буде переходити від холодного тіла до гарячого. Щоб досягти цієї мети, необхідно виконати роботу. Твердження Клаузіуса можна також сформулювати так: не можна створити ідеальний холодильник.

Покажемо тепер, що два різні формулювання другого початку термодинаміки-Клаузіуса і Кельвіна-Планка-еквівалентні один одному. Для цього доведемо, що якщо невірне одне з них, то невірне й інше. Таким чином, обидва формулювання повинні бути або невірними, або вірними що і доводить їхню еквівалентність.

Припустимо, що формулювання Клаузиуса помилкове, тобто ідеальний холодильник був би можливий. Можна було б відібрати кількість теплоти | Q | від тіла з низькою температурою і передати її тілу з високою температурою, не виконуючи роботи. Розглянемо тепер звичайний двигун, що відбирає кількість теплоти | Q' | від тіла з високою температурою, виконує