Термический КПД идеального цикла Карно

, (22.7)

где – абсолютная температура нагревателя, – абсолютная температура холодильника.

Цикл Карно, проведенный в обратном направлении, является идеальной холодильной установкой с холодильным коэффициентом:

. (22.8)

Первое начало термодинамики, являясь выражением закона сохранения и превращения энергии, не позволяет, однако, определить направление протекания процессов в природе. Периодически действующий двигатель, который совершал бы работу в количестве, равном подведенному ему теплу (вечный двигатель второго рода), не противоречит первому закону. Но он запрещается вторым законом термодинамики.

Сущность второго закона термодинамики выражается несколькими формулировками:

1. Для перевода тепла в работу необходимо наличие, кроме источника тепла, охладителя более низкой температуры (С. Карно (1796 - 1832) – фр. физик, инженер).

2. Тепло само по себе не может перейти от более холодного тела к более теплому (Р. Клаузиус (1822 - 1888) – нем. физик).

3. Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого была бы механическая работа, совершенная за счет охлаждения теплового резервуара (В. Томсон (1824 - 1907) – англ. физик).

4. Невозможен такой периодический процесс, единственным результатом которого было бы превращение теплоты в работу (М. Планк (1858 - 1947) – нем. физик).

На основании выражений (22.7) можно записать:

(22.9)

где знак ² = ² относится к обратимому процессу, а знак ² < ² - к необратимому. Учитывая, что , выражение (22.9) примет вид

. (22.10)

Отношение количества теплоты, получаемого или отданного рабочим телом, к температуре, при которой происходит теплообмен, называется приведенным количеством теплоты. Выражение (22.10) можно сформулировать так: алгебраическая сумма приведенных количеств теплоты за цикл не больше нуля (в обратимом цикле равна нулю, в необратимом – меньше нуля).

Сумму приведенных количеств теплот для обратимого процесса можно представить как разность значений некоторой функции состояния, которую называют энтропией:

(22.11)

где и – энтропия в конечном 2 и начальном 1 состояниях соответственно; является дифференциалом энтропии:

. (22.12)

Если dQ > 0, то dS > 0; если dQ < 0, то dS < 0. Следовательно, возрастание или убывание энтропии указывает на направление теплообмена.

С учетом первого закона термодинамики уравнение (22.11) примет вид

.

При переходе термодинамической системы из состояния 1 в состояние 2 изменение энтропии не зависит от вида процесса, определяется только начальными и конечными параметрами состояния (значениями температуры и объема в этих состояниях).

Второе начало термодинамики является статистическим законом: оно отражает закономерности движения огромного числа частиц тел, входящих в состав изолированной системы.