Первым законом ТТД устанавливаются лишь количественные соотношения при взаимных превращениях теплоты и работы.
В частности, при теплообмене можно было бы предположить, что теплота может передаваться как от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой, так и наоборот. При этом согласно 1-му Закону ТТД накладывается только одно условие: чтобы количество теплоты, отданной одним телом, равнялось количеству теплоты, принятой другим телом. Однако не все процессы реально существуют.
Рассмотрение вопросов о возможности осуществления того или иного процесса, его вероятном направлении, а также пределе его развития является содержанием второго закона (или второго начала) термодинамики.
Наиболее общей формулировкой 2-го Закона ТТД можно считать формулировку, предложенную Больцманом: ” Природа стремится к переходу от менее вероятных состояний к более вероятным”.
Cамопроизвольное превращение теплоты в работу в природе не наблюдается, оно может быть достигнуто лишь техническими средствами при обеспечении ряда условий и не полностью. Суммируя этот опыт М. Планк предложил следующую формулировку 2-го закона ТТД: «невозможно построить периодически действующую тепловую машину, результатами действия бы которой были только получение механической работы и охлаждение источника теплоты».
Формулировку Планка применительно к работе теплового двигателя следует понимать следующим образом. Теплота может быть частично превращен в работу лишь при посредстве рабочего тела. Лишь часть теплоты, полученной рабочим телом от источника, может переходить в работу, другая часть неизбежно должна отдаваться некоторому холодному телу (холодильнику, приёмнику теплоты), что и является процессом, компенсирующим несамопроизвольность превращения теплоты в работу.
Таким образом, для осуществления несамопроизвольного процесса получения работы за счёт теплоты необходимы следующие условия: наличие по меньшей мере двух источников теплоты — с большей и меньшей температурами — и рабочего тела.
Второй закон ТТД можно представить в форме совокупности двух независимых закономерностей (частей).
Первую часть называют 2-м законом ТТД для обратимых процессов или принципом существования энтропии. Вторую чсть называют вторым законом ТТД для необратимых процессов или принципом возрастания энтропии.
Чтобы уяснить условия при которых осуществляется процесс преобразования теплоты в работу и понять сущность 2-го закона ТТД, рассмотрим как должно изменяться состояние рабочего тела в такой непрерывно действующей машине, как поршневой тепловой двигатель.
Если рабочее тело из начального состояния т.А (рис.5.1.) переходит через т.Е в конечное состояние — т.В, то при этом полученная работа будет измеряться пл. АВСД. Если раб. тело из т.В вернётся в т.А по тому же самому пути, по которому оно
перемещалось, то затраченная на это работа также будет равной площади АВСД и
Рис. 5.1
в результате такого кругового процесса или цикла, работа будет равна 0. Следовательно, нужно рабочее тело возвратить из конечного состояния т.В не по пути ВЕА, а по пути ВКА, т.е. линия процесса сжатия должна располагаться ниже линии процесса расширения, тогда работа расширения пл. АЕВСД будет больше работы сжатия пл.ВСДАК. В результате такого процесса будет получена работа, равная разности работ расширения и сжатия, т.е. пл.АЕВСД — пл.ВСДАК=пл.АЕВК.
Полученная работа lпол может быть использована для вращения машин и механизмов (т.е. в собственных нуждах) и называется полезной работой. Итак, полезная работа цикла в р , v — диаграмме изображается площадью, заключённой внутри кругового процесса или цикла.
Если раб тело в прямом цикле процессе расширения АЕВ получило от горячего (высшего) источника теплоту q1, а в процессе сжатия ВКА отдало холодному (низшему) источнику количество теплоты q2, то разность q1-q2=qц как теплота исчезает в течении цикла в результате преобразования её механическую энергию, т.е. в соответствии с 1-м законом ТТД . Отдача некоторого количества теплоты низшему источнику необходима для того чтобы снизить температуру рабочего тела и тем самым уменьшить потребление работы на его сжатие, т.е. безвозвратность потери этого количества теплоты (отданное холодному источнику) является компенсацией за получение полезной работы. Поскольку в круговом процессе рабочее тело возвращается в первоначальное состояние, то .
В обратном цикле направление величин q1 и q2 изменяется на обратное, т.е. теплота q1 передаётся рабочему телу от холодного источника, теплота q2 отдаётся горячему источнику. Следовательно, в обратном цикле теплота переходит от холодного тела к горячему, но это должно обязательно сопровождаться затратой работы. Обратные циклы осуществляются в холодильных установках.