Направление процессов и второе начало

Урок объясняет, почему тепло само переходит только от горячего к холодному.

Второе начало термодинамики: теплота не может самопроизвольно переходить от холодного тела к горячему (формулировка Клаузиуса).

Первое начало разрешает многое, что в природе не случается. Чашка кофе может остыть, отдав теплоту воздуху, но никогда сама не нагреется за счёт охлаждения воздуха — хотя энергия при этом сохранилась бы. Что запрещает обратный ход? Второе начало.

Две формулировки

Клаузиус: невозможен процесс, единственным результатом которого был бы переход теплоты от холодного тела к горячему. Кельвин-Планк: невозможна машина, которая всю подведённую теплоту целиком превращала бы в работу. Эти формулировки эквивалентны и обе описывают необратимость реальных процессов.

Необратимость

Разбитую чашку не собрать обратно, перемешанные газы не разойдутся сами, тепло не соберётся в одной точке. Все самопроизвольные процессы идут в сторону большего беспорядка. Количественной мерой этого беспорядка служит энтропия — её мы введём в следующем уроке.

Двухтельный пример

Соединим горячее и холодное тело. Тепло потечёт от горячего к холодному, пока температуры не сравняются. Обратное — самопроизвольное разделение на горячее и холодное — никогда не наблюдается, хотя энергетически возможно.

Ta, Tb = 350.0, 300.0   # температуры двух тел, К
Tf = (Ta + Tb) / 2      # равновесие при равных теплоёмкостях
print("Горячее тело:", Ta, "K -> охлаждается до", Tf, "K")
print("Холодное тело:", Tb, "K -> нагревается до", Tf, "K")
print("Обратный процесс самопроизвольно не идёт")

Вывод:

Горячее тело: 350.0 K -> охлаждается до 325.0 K
Холодное тело: 300.0 K -> нагревается до 325.0 K
Обратный процесс самопроизвольно не идёт

Как работает под капотом

Статистически беспорядок просто вероятнее. Молекулы могут случайно собраться в одном углу сосуда, но число способов разместить их равномерно по объёму астрономически больше. Поэтому система «выбирает» наиболее вероятное состояние — максимального беспорядка. Второе начало — это не запрет на уровне отдельных молекул, а подавляющая статистика огромного числа частиц.

Частые ошибки

Думать, что второе начало нарушает закон сохранения энергии. Нет: энергия сохраняется, ограничивается лишь направление процесса.
Считать, что КПД тепловой машины может достичь 100%. Кельвин-Планк это запрещает.
Полагать, что необратимость абсолютна для одной молекулы; она проявляется статистически для коллектива частиц.

Итог

Второе начало задаёт направление самопроизвольных процессов.
Тепло само течёт от горячего к холодному, но не наоборот.
Причина — статистика: беспорядок просто вероятнее порядка.