1954687385

Każdy, kto przez dłuższy czas korzysta z biurka lub jakiegokolwiek pomieszczenia, zauważy, że po jakimś czasie zawsza wkrada się tam bałagan. Ogólnie rzecz biorąc, przyrodę charakteryzuje taka sama tendencja do przechodzenia od początkowego stanu uporządkowania do końcowego stanu bałaganu. Dlatego też musimy znaleźć wielkość, która stanowiłaby miarę tego bałaganu (nieporządku) i wielkość ta jest zwana entropią.

Dietrich Stauffer, H. Eugene Stanley [28]

4. Druga zasada termodynamiki

Pierwsza zasada termodynamiki jest zasadą zachowania energii uogólnioną na przepływ (pod postacią ciepła lub pracy) energii wewnętrznej pomiędzy danym układem termodynamicznym i otoczeniem. Nie dokonuje ona żadnego istotnego rozróżnienia między ciepłem i pracą. Mówi jedynie, że wzrost energii wewnętrznej układu może nastąpić poprzez przekazanie układowi ciepła albo poprzez wykonanie nad układem pracy.

Jednakże w przyrodzie istnieje zasadnicza różnica pomiędzy pracą i ciepłem, która nie znajduje swojego odzwierciedlenia w I zasadzie termodynamiki. Okazuje się, że tylko pewne procesy termodynamiczne, przebiegające zgodnie z I zasadą termodynamiki, są realizowane w rzeczywistości.

4.1. Procesy odwracalne i nieodwracalne

II zasada termodynamiki określa, jakie procesy naturalne mogą mieć miejsce, a jakie nie. Poniżej podajemy przykłady procesów termodynamicznych, które są zgodne z I zasadą i przebiegają także w zgodzie z II zasadą termodynamiki.

1.    Po doprowadzeniu do kontaktu cieplnego dwóch ciał o różnych temperaturach, ciepło zawsze przepływa od ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze. Nigdy nie obserwujemy procesu przeciwnego do opisanego, ponieważ byłby on sprzeczny z II zasadą termodynamiki (choć zgodny z I zasadą).

2.    Gumowa (lub stalowa) kulka opuszczona na twardą powierzchnię odbija się od niej kilkakrotnie i ostatecznie nieruchomieje. Nigdy nie obserwujemy procesu odwrotnego, w którym początkowo spoczywająca na powierzchni kulka nagle zaczyna samoistnie (bez żadnej ingerencji z zewnątrz) podskakiwać nad powierzchnię.

3.    Wykonujące drgania wahadło zatrzymuje się w stanie równowagi po dostatecznie długim okresie czasu. Energia kinetyczna wahadła zamienia się na enei'gię cieplną ruchu cząsteczek ośrodka. Nigdy nie obserwujemy sytuacji odwrotnej, tj. zamiany energii cieplnej na kinetyczną, co — jak zobaczymy — byłoby sprzeczne z II zasadą termodynamiki chociaż nie naruszałoby zasady zachowania energii.

Przytoczone tutaj przykłady ilustrują tzw. procesy nieodwracalne, tj. procesy termodynamiczne, które w warunkach naturalnych¹⁸ przebiegają tylko w jednym kierunku. Żaden z nieodwracalnych procesów nie może być samoistnie odwrócony w czasie. Gdyby tak było, przeczyłoby to właśnie jednemu z podstawowych praw termodynamiki, tj. II zasadzie.

Dla nauk technicznych najistotniejszą konsekwencją tejże zasady są ograniczenia nakładane na obserwowane wartości współczynnika sprawności silnika cieplnego. Uprzedzając nieco tok naszego wykładu, możemy stwierdzić, że zgodnie z II zasadą termodynamiki nie jest możliwe skonstruowanie silnika cieplnego zamieniającego całkowicie w sposób ciągły energię cieplną na

¹⁸Takie procesy nazywamy samoistnymi.

19