כפי שאתה יודע, החוק הראשון של התרמודינמיקה משקף את חוק שימור האנרגיה בתהליכים תרמודינמיים, אך הוא אינו נותן מושג על כיוון התהליכים. בנוסף, אתה יכול להמציא תהליכים תרמודינמיים רבים שלא יסתור את החוק הראשון, אבל במציאות תהליכים כאלה לא קיימים. קיומו של החוק השני (ההתחלה) של התרמודינמיקה נגרם מהצורך לבסס את האפשרות של תהליך מסוים. חוק זה קובע את כיוון הזרימה של תהליכים תרמודינמיים. בעת ניסוח החוק השני של התרמודינמיקה, נעשה שימוש במושגים של אנטרופיה ואי השוויון של קלאוזיוס. במקרה זה, החוק השני של התרמודינמיקה מנוסח כחוק הצמיחה של האנטרופיה של מערכת סגורה אם התהליך הוא בלתי הפיך.
הצהרות של החוק השני של התרמודינמיקה
אם תהליך מתרחש במערכת סגורה, אז האנטרופיה של מערכת זו לא יורדת. בצורת נוסחה, החוק השני של התרמודינמיקה נכתב כך:
כאשר S - אנטרופיה; L הוא הנתיב שבו עוברת המערכת ממצב אחד למשנהו.
בניסוח זה של החוק השני של התרמודינמיקה, יש לשים לב לעובדה שיש לסגור את המערכת הנבחנת. במערכת פתוחה, האנטרופיה יכולה להתנהג כרצונך (ולהקטין, ולהגדיל, ולהישאר קבועה). שימו לב שהאנטרופיה לא משתנה במערכת סגורה במהלך תהליכים הפיכים.
צמיחת האנטרופיה במערכת סגורה במהלך תהליכים בלתי הפיכים היא המעבר מערכת תרמודינמיתממצבים בעלי הסתברות נמוכה יותר למצבים בעלי הסתברות גבוהה יותר. נוסחת בולצמן הידועה נותנת פרשנות סטטיסטית לחוק השני של התרמודינמיקה:
איפה k - הקבוע של בולצמן; w - הסתברות תרמודינמית (מספר הדרכים שבהן ניתן לממש את המצב המאקרו הנחשב של המערכת). אז, החוק השני של התרמודינמיקה הוא חוק סטטיסטי, הקשור לתיאור של דפוסי התנועה התרמית (כאוטי) של מולקולות המרכיבות מערכת תרמודינמית.
ניסוחים אחרים של החוק השני של התרמודינמיקה
ישנם מספר ניסוחים נוספים של החוק השני של התרמודינמיקה:
1) הניסוח של קלווין: אי אפשר ליצור תהליך מעגלי שתוצאתו תהיה אך ורק המרת החום, המתקבל מהמחמם, לעבודה. מניסוח זה של החוק השני של התרמודינמיקה, ניתן להסיק שאי אפשר ליצור מכונת תנועה מתמדת מהסוג השני. משמעות הדבר היא כי מנוע חום הפועל מעת לעת חייב להיות מחמם, נוזל עבודה ומקרר. במקרה זה, היעילות של מנוע חום אידיאלי לא יכולה להיות גדולה מהיעילות של מחזור קרנו:
היכן הטמפרטורה של המחמם; - טמפרטורת המקרר; ( title="Renderd by QuickLaTeX.com" height="15" width="65" style="vertical-align: -3px;">).!}
2) הניסוח של קלאוזיוס: אי אפשר ליצור תהליך מעגלי שכתוצאה ממנו תתרחש רק העברת חום מגוף עם טמפרטורה נמוכה יותר לגוף עם טמפרטורה גבוהה יותר.
החוק השני של התרמודינמיקה מסמן הבדל משמעותי בין שתי צורות העברת האנרגיה (עבודה וחום). מחוק זה נובע שהמעבר של התנועה המסודרת של הגוף, בכללותו, לתנועה הכאוטית של מולקולות הגוף סביבה חיצונית- הוא תהליך בלתי הפיך. במקרה זה, תנועה מסודרת יכולה להפוך לכאוטית ללא תהליכים נוספים (מפצים). ואילו המעבר של תנועה מופרעת לסדר צריך להיות מלווה בתהליך פיצוי.
דוגמאות לפתרון בעיות
דוגמה 1
| תרגיל | מהי המהות של בעיית "מוות החום של היקום"? מדוע בעיה זו אינה נסבלת? |
| פִּתָרוֹן | הבעיה הזונוסחה במאה ה-19. אם ניקח בחשבון את היקום כמערכת סגורה וננסה ליישם עליו את החוק השני של התרמודינמיקה, אזי, לפי השערת קלאוזיוס, האנטרופיה של היקום תגיע למקסימום מסוים. כלומר, לאחר זמן מה, כל צורות התנועה יהפכו לתנועה תרמית. כל החום מגופים עם יותר טמפרטורה גבוההיעבור לגופים שיש להם יותר טמפרטורה נמוכה, כלומר, הטמפרטורות של כל הגופים ביקום יהפכו להיות שוות. היקום יגיע למצב של שיווי משקל תרמי, כל התהליכים ייפסקו - זה נקרא מוות החום של היקום. הטעות של הצהרה זו על מוות החום של היקום נעוצה בעובדה שהחוק השני של התרמודינמיקה אינו חל על מערכות פתוחות, ואין לראות ביקום סגור. מכיוון שהוא בלתי מוגבל ומורכב מפיתוח אינסופי. |
דוגמה 2
| תרגיל | מהי היעילות של המחזור, המופיע באיור 1? קחו בחשבון שגז אידיאלי מעורב בתהליך (מספר דרגות החופש שווה ל-i) ונפחו משתנה n פעמים. |
| פִּתָרוֹן | יעילות המחזור, המוצגת באיור 1, אנו מוצאים כ:
היכן היא כמות החום שנוזל העבודה מקבל מהמחמם במחזור המוצג. בתהליכים אדיאבטיים אין אספקת חום וסילוק, מסתבר שחום מסופק רק בתהליך 1-2. - כמות החום המורחקת מהגז בתהליך 3-4. באמצעות החוק הראשון של התרמודינמיקה, אנו מוצאים את כמות החום שמקבל הגז בתהליך 1-2, שהוא איזוחורי: מכיוון שאין שינוי בנפח בתהליך זה. השינוי באנרגיה הפנימית של הגז מוגדר כך:באנלוגיה, לתהליך איזוחורי שבו מסירים חום, יש לנו: החלף את התוצאה (2.2 - 2.5) בביטוי (2.1): אנו משתמשים במשוואה האדיאבטית כדי למצוא את הפרשי הטמפרטורות, ובהתחשב באיור 1. עבור תהליך 2-3 אנו כותבים: |
לעיל התוודענו לשיטה התרמודינמית לפתרון בעיות פיזיקליות שונות. כל ההיגיון התבסס על שימוש באחד מחוקי הטבע הבסיסיים: חוק השימור וההתמרה של אנרגיה, או החוק הראשון של התרמודינמיקה.
כפי שהוכיח הניסיון האנושי, עם כל חשיבותו של חוק זה, אולם, אין די להסביר את הייחודיות של זרימת תופעות שונות בטבע. על מנת להשתכנע בכך, הבה נבחן את החוק הראשון של התרמודינמיקה ואת ההשלכות הנובעות ממנו מנקודת מבט מעט שונה מזו שנעשתה לעיל. מבחינה מתמטית, החוק הראשון של התרמודינמיקה מתבטא באמצעות המשוואה:
המשמעות הפיזית שלה מצטמצמת לאמירה ששינוי באנרגיה הפנימית של המערכת אפשרי או כתוצאה ממנו
עושה עבודה, או העברת קצת חום. חשוב ביותר שהמשוואה הכתובה תמצה הכל דרכים אפשריותשינויים באנרגיה הפנימית של המערכת: האנרגיה הפנימית של המערכת יכולה להשתנות רק כתוצאה מביצוע עבודה או העברת כמות מסוימת של חום.
כעת נשים לב לעובדה ששתי הדרכים הללו לשינוי האנרגיה הפנימית של המערכת מרמזות על האינטראקציה שלה עם כמה גופים שאינם כלולים במערכת הנבדקת. העבודה מתבצעת על ידי כוחות חיצוניים, כלומר כוחות הפועלים על המערכת מכמה גופים שאינם כלולים בה, או להיפך, על ידי מערכת שמתגברת על פעולת הכוחות החיצוניים הללו.
באותו אופן, כמות החום הדרושה לשינוי האנרגיה הפנימית של המערכת מועברת על ידי זו מכל גופים שאינם כלולים בה, או מהמערכת עצמה לגופים אלו.
הצורך בשינוי באנרגיה הפנימית של המערכת של האינטראקציה שלה עם גופים שאינם כלולים בה מביא לכך שבמערכת מבודדת, כלומר במערכת הכוללת את כל הגופים המקיימים אינטראקציה, האנרגיה הפנימית נשארת ללא שינוי. . בהתחשב באמור לעיל, החוק הראשון של התרמודינמיקה מנוסח לפעמים בצורה זו, הקובע שהאנרגיה הפנימית של מערכת מבודדת היא קבועה, או, שהיא זהה, במערכת מבודדת.
במערכות תרמודינמיות שונות, אפשר לדמיין מחשבתית את התהליכים המגוונים ביותר. החוק הראשון של התרמודינמיקה מאפשר לבחור מתוך מגוון זה את התהליכים, שהמהלך שלהם, מנקודת מבט של יחסי אנרגיה, אפשרי ביסודו.
הבה נניח, למשל, שהמערכת הנבדקת מורכבת משני חלקים של אותו נוזל, בעלי טמפרטורות מתאימות. טמפרטורה כלליתבהתבסס על החוק הראשון של התרמודינמיקה, ניתן לטעון שהטמפרטורה הסופית של התערובת כולה אינה יכולה להיות גדולה מהטמפרטורה של החלק החם ביותר מבין החלקים המעורבים של הנוזל. תהליך המוביל לתוצאה כזו אינו מותר על פי החוק הראשון של התרמודינמיקה. יתרה מכך, על אותו בסיס, ניתן לטעון שבמקרה של מערכת מבודדת באמת, רק תהליכים כאלה אפשריים שבהם מתקיים השוויון הבא:
המשמעות הגדולה של החוק הראשון של התרמודינמיקה נעוצה דווקא בעובדה שהוא מציין כיצד לבחור מתוך אינסוף תהליכים שאדם יכול לדמיין.
דמיינו את אותם תהליכים, שהמהלך שלהם, באופן כללי, אפשרי.
עם זאת, בעוד החוק מסייע להבחין בין תהליכים אפשריים, החוק הראשון של התרמודינמיקה אינו מספק בסיס להבחנה נוספת ביניהם: מנקודת המבט של החוק הראשון של התרמודינמיקה, כל התהליכים הנבחרים אפשריים באותה מידה.
כדי להבין תכונה זו, הבה נחזור לדוגמא למעלה. כאשר מערבבים שני חלקים של נוזל בטמפרטורות שונות, מנקודת המבט של החוק הראשון של התרמודינמיקה, כל תהליך אפשרי, כתוצאה מכך טמפרטורת התערובת תקבל את הערך המתאים למשוואה (21).
עם זאת, מנקודת המבט של החוק הראשון של התרמודינמיקה, תהליך הפוך לזה הנחשב הוא גם אפשרי בהחלט: החוק הראשון של התרמודינמיקה מודה באפשרות שנוזל שהמסה שלו באותה טמפרטורה בכל מקום יתחלק באופן ספונטני לשני חלקים עם טמפרטורות שונות, אם רק הטמפרטורות הללו עומדות במשוואה (21). החוק הראשון של התרמודינמיקה אינו מאפשר רק שינוי באנרגיה הפנימית של מערכת מבודדת, אך אינו מגביל את החלוקה מחדש של האנרגיה הפנימית בתוך מערכת מבודדת נתונה.
יחד עם זאת, הניסיון מלמד את האדם שבטבע נצפה מצב שונה.
זה ידוע שכאשר מערבבים מספר מנות של נוזל בטמפרטורות שונות, התערובת תמיד מקבלת טמפרטורה מסוימת המשותפת לנוזל כולו. כמו כן, ידוע מניסיון, כי ללא פעולה חיצונית, בנוזל שהיה לו אותה טמפרטורה בכל מקום, לעולם לא נוצר הפרש טמפרטורה עקב העברה ספונטנית של כמות מסוימת של חום מחלק אחד של הנוזל לאחר.
באופן דומה, בעת ערבוב תמיסה מימיתכל מלח עם מים נקייםתמיד נצפה דיפוזיה של מומס, מה שמוביל להשוואה של ריכוז התמיסה בנוזל כולו, ואף פעם לא נצפה שחומר המומס בנוזל כלשהו יתאסף באופן ספונטני בחלק אחד שלו, בעוד שממס טהור יופיע בגוף. שנית, למרות תהליך זה ואינו סותר את החוק הראשון של התרמודינמיקה.
לבסוף, אפשר לראות כל הזמן את ההפיכה הספונטנית של עבודה מכנית לחום. כך, למשל, אתה יכול לגרום לבר כבד להחליק לאורך מישור משופע (איור 101), וכל העבודה שנעשתה על ידי כוח הכבידה תומר לחום עקב חיכוך. כתוצאה מחיכוך, הטמפרטורה של המוט והמישור המשופע תגדל מעט, בעוד שהאנרגיה הפנימית של המערכת תישאר קבועה.
יחד עם זאת, לא משנה כמה אפשר לצפות, לא ניתן לראות קירור ספונטני של המוט והמישור המשופע, וכתוצאה מכך הבר עצמו יתחיל לנוע במעלה המישור המשופע, אם כי תהליך זה יכול להתקדם גם עם האנרגיה הפנימית של המערכת ללא שינוי.
לפיכך, התהליכים האפשריים מנקודת המבט של החוק הראשון של התרמודינמיקה מתגלים כלא שווים ביחס להתרחשותם במובן זה שכפי שמראה הניסיון, חלק מהתהליכים הללו מתרחשים במערכת מבודדת, בעוד שאחרים מתרחשים במערכת מבודדת. לא להתרחש.
ההבדל בין תהליכים כאלה מצוין על ידי החוק היסודי השני, או החוק השני, של התרמודינמיקה.
החוק השני של התרמודינמיקה קובע שקיימת פונקציית מצב הנקראת אנטרופיה, שיש לה את התכונה שהיא גדלה עם כל התהליכים האמיתיים המתרחשים במערכת מבודדת.
לפיכך, החוק השני של התרמודינמיקה יכול לקבל את הניסוח הבא: במערכת מבודדת, רק תהליכים כאלה אפשריים שבהם האנטרופיה של המערכת גדלה.
לעתים קרובות החוק השני של התרמודינמיקה מנוסח בצורה שונה במקצת, למשל, קלווין ניסח את החוק הזה בצורה של הצהרה שתהליך הוא בלתי אפשרי, שהתוצאה היחידה שלו תהיה קבלת חום מכל גוף והמרתו לכמות שווה ערך. של עבודה.
קלאוזיוס הציע לרשום את החוק השני של התרמודינמיקה כהצהרה על חוסר האפשרות של העברה ספונטנית של חום מגוף קר יותר לגוף חם יותר. ניסוחים אלו של החוק השני, כמו גם מספר ניסוחים נוספים המצויים בספרות, מביאים בסופו של דבר לאותן מסקנות, ומבחינה זו שוות ערך.
הניסוח שניתן כראשון שונה בכך שהכלליות של החוק השני של התרמודינמיקה מופיעה בו בצורה ברורה יותר.
על פי החוק השני של התרמודינמיקה, על מנת לענות על השאלה האם טרנספורמציה כזו או אחרת אפשרית במערכת מבודדת, יש צורך לחשב את תוספת האנטרופיה במהלך הטרנספורמציה הזו, ואם תוספת זו מתבררת כחיובית, אז הטרנספורמציה המדוברת אפשרית, שכן כתוצאה מהאנטרופיה של המערכת המבודדת שלה עולה. אותו הדבר
תהליכים שבהם מתברר שתוספת האנטרופיה שלילית הם בלתי אפשריים במערכת מבודדת, שכן בתהליכים כאלה האנטרופיה של מערכת מבודדת חייבת לרדת.
מבחינה כמותית בתרמודינמיקה, לא האנטרופיה נקבעת, אלא הפרש האנטרופיה המקביל לכל שינוי במצב המערכת. פונקציית המצב החדשה - אנטרופיה - מסומנת באות ולפי ההגדרה
השינוי הדיפרנציאלי באנטרופיה נקבע לפיכך על ידי היחס בין כמות קטנה באופן דיפרנציאלי של חום המתקבלת או ניתנת על ידי המערכת לבין הטמפרטורה שבה התהליך מתרחש. כדי להסביר כיצד משתמשים בנוסחאות (22) ו-(23), הבה נבחן כמה דוגמאות.
1. חשב את השינוי באנטרופיה במהלך ההמסה של 1 קמ"ל של קרח. חום ספציפי של הפשרת קרח המסת קרח מתרחשת כאשר טמפרטורה קבועה 273°K, ולכן במשוואה (23) מוציאים אותו מהסימן האינטגרלי, שבמקרה זה יהיה שווה לכמות החום הנדרשת להמסת קילו-מול אחד של קרח.
לכן:
2. קילו-מול אחד גז אידיאליתופס נפח בלחץ ובטמפרטורה הבה נקבע את השינוי באנטרופיה במהלך מעבר שיווי המשקל של גז למצב המאופיין בפרמטרי מצב
אנו כותבים את החוק הראשון של התרמודינמיקה:
במקרה של גז אידיאלי החלפת ערכים אלה במשוואת החוק הראשון, אנו כותבים אותו בצורה:
אם מחלקים את המשוואה הזו ובהתחשב בהגדרת האנטרופיה (משוואה 22), נקבל:
שילוב המשוואה בטווח מ-עד נמצא את הפתרון הרצוי:
אנו נניח שהחתיכות כה גדולות עד שניתן להזניח את השינוי בטמפרטורה עם קבלה או אובדן. כאשר חום עובר מגוף חם יותר לגוף קר יותר, שינוי כלליהאנטרופיה במערכת תהיה:
סימן המינוס מושם במקרה כאשר החום מופק על ידי הגוף, וסימן הפלוס הוא כאשר הגוף מקבל כמות מסוימת של חום.
במקרה שבו חום עובר מגוף קר יותר לגוף חם יותר, השינוי הכולל באנטרופיה של המערכת יהיה:
לפיכך, העברת חום מגוף חם יותר לגוף קר יותר מלווה בעלייה חיובית באנטרופיה, ולכן תהליך זה אפשרי במערכת מבודדת. להיפך, העברת חום מגוף קר יותר לגוף חם יותר מלווה בעלייה שלילית באנטרופיה, וכתוצאה מכך תהליך כזה בלתי אפשרי במערכת מבודדת.
כדוגמה שנייה, שקול את השינוי באנטרופיה עם שינוי בנפח של גז אידיאלי. השינוי באנטרופיה במקרה זה מתבטא בנוסחה:
אם השינוי בנפח הוא איזותרמי:
כלומר, השינוי באנטרופיה תמיד יהיה חיובי כאשר הנפח הסופי גדול מהראשוני. במילים אחרות, גז אידיאלי, שהוא מערכת מבודדת, יתרחב באופן ספונטני, ומבקש לתפוס את כל הנפח המסופק לו.
הדוגמאות היסודיות ביותר ליישום החוק השני לקביעת הכיוון נשקלו לעיל. תהליך אפשרי. עם זאת, חוק זה מאפשר לקבוע את הכיוון ועוד תהליכים מורכבים. בנוסף, היא מאפשרת לקבוע מראש באילו תנאים תהליך זה ימשיך בכיוון הרצוי.
ישנם מספר ניסוחים של החוק השני של התרמודינמיקה, שמחבריו הם הפיזיקאי, המכונאי והמתמטיקאי הגרמני רודולף קלאוזיוס והפיזיקאי והמכונאי הבריטי ויליאם תומסון, לורד קלווין. כלפי חוץ הם שונים, אבל המהות שלהם זהה.
פוסטולטה של קלאוזיוס
רודולף יוליוס עמנואל קלאוזיוס
החוק השני של התרמודינמיקה, כמו הראשון, נגזר אף הוא באופן אמפירי. הפיזיקאי, המכונאי והמתמטיקאי הגרמני רודולף קלאוזיוס נחשב למחבר הניסוח הראשון של החוק השני של התרמודינמיקה.
« חום לא יכול לעבור בעצמו מגוף קר לגוף חם. ". הצהרה זו, אשר קלסיוס כינה " אקסיומה תרמית", נוסח בשנת 1850 בעבודה "על הכוח המניע של החום ועל החוקים שניתן לקבל מכך לתורת החום"."כמובן, חום מועבר רק מגוף עם טמפרטורה גבוהה יותר לגוף עם טמפרטורה נמוכה יותר. בכיוון ההפוך, העברת חום ספונטנית בלתי אפשרית. זאת המשמעות הנחה של קלאוזיוס , הקובע את מהות החוק השני של התרמודינמיקה.
תהליכים הפיכים ובלתי הפיכים
החוק הראשון של התרמודינמיקה מראה את הקשר הכמותי בין החום שמקבל המערכת, השינוי באנרגיה הפנימית שלה והעבודה שמבצעת המערכת על גופים חיצוניים. אבל הוא לא מחשיב את כיוון העברת החום. ואפשר להניח שאפשר להעביר חום גם מגוף חם לקר וגם להיפך. בינתיים, במציאות זה לא המקרה. אם שני גופים נמצאים במגע, אז חום מועבר תמיד מהגוף החם יותר לקרר יותר. והתהליך הזה קורה מעצמו. במקרה זה, לא מתרחשים שינויים בגופים החיצוניים המקיפים את הגופים המתקשרים. תהליך כזה שמתרחש בלי לעשות עבודה מבחוץ (ללא התערבות של כוחות חיצוניים) נקרא ספּוֹנטָנִי . הוא יכול להיות הָפִיךו בלתי הפיך.
מתקרר באופן ספונטני, גוף חם מעביר את החום שלו לגופים הקרים יותר שמסביב. וגוף קר לעולם לא יתחמם מעצמו. המערכת התרמודינמית במקרה זה אינה יכולה לחזור למצבה המקורי. תהליך כזה נקרא בלתי הפיך . תהליכים בלתי הפיכיםלזרום בכיוון אחד בלבד. כמעט כל התהליכים הספונטניים בטבע הם בלתי הפיכים, בדיוק כפי שהזמן הוא בלתי הפיך.
הָפִיך נקרא תהליך תרמודינמי שבו המערכת עוברת ממצב אחד לאחר, אך יכולה לחזור למצבה המקורי, עוברת בסדר הפוך דרך מצבי שיווי משקל ביניים. במקרה זה, כל פרמטרי המערכת משוחזרים למצבם המקורי. תהליכים הפיכים נותנים את מירב העבודה. עם זאת, במציאות לא ניתן לממש אותם, ניתן רק להתקרב אליהם, מכיוון שהם מתקדמים לאט לאט. בפועל, תהליך כזה מורכב ממצבי שיווי משקל עוקבים מתמשכים ונקרא מעין סטטי. כל התהליכים הכמו-סטטיים הפיכים.
תומסון (קלווין) הנחה
ויליאם תומסון, לורד קלווין
המשימה החשובה ביותר של התרמודינמיקה היא להשיג בעזרת חום רובעֲבוֹדָה. עבודה מומרת בקלות לחום לחלוטין ללא כל פיצוי, למשל, בעזרת חיכוך. אבל התהליך ההפוך של המרת חום לעבודה אינו שלם ואינו אפשרי ללא קבלת אנרגיה נוספת מבחוץ.
יש לומר שהעברת חום מגוף קר יותר לחם יותר אפשרית. תהליך כזה מתרחש, למשל, במקרר הביתי שלנו. אבל זה לא יכול להיות ספונטני. כדי שזה יזרום יש צורך במדחס שיזקק אוויר כזה. כלומר, לתהליך ההפוך (קירור) נדרשת אספקת אנרגיה מבחוץ. " אי אפשר להעביר חום מגוף עם טמפרטורה נמוכה יותר ללא פיצוי ».
בשנת 1851, הפיזיקאי והמכונאי הבריטי ויליאם תומסון, לורד קלווין, נתן ניסוח שונה של החוק השני. ההנחה של תומסון (קלווין) אומרת: "אין תהליך מעגלי, שהתוצאה היחידה שלו תהיה ייצור עבודה על ידי קירור מאגר החום" . כלומר, אי אפשר ליצור מנוע הפועל באופן מחזורי, וכתוצאה מכך תתבצע עבודה חיובית בשל האינטראקציה שלו עם מקור חום אחד בלבד. אחרי הכל, אם זה היה אפשרי, מנוע חום היה יכול לעבוד באמצעות, למשל, את האנרגיה של האוקיינוס העולמי ולהמיר אותה לחלוטין ל עבודה מכנית. כתוצאה מכך, האוקיינוס יתקרר עקב ירידה באנרגיה. אבל ברגע שהטמפרטורה שלו תהיה מתחת לטמפרטורת הסביבה, צריך להתרחש תהליך של העברת חום ספונטנית מגוף קר יותר לחם יותר. אבל תהליך כזה הוא בלתי אפשרי. לכן, להפעלת מנוע חום, נדרשים לפחות שני מקורות חום עם טמפרטורות שונות.
Perpetuum mobile מהסוג השני
במנועי חום, החום הופך לעבודה שימושית רק כאשר עוברים מגוף חם לגוף קר. על מנת שמנוע כזה יתפקד, נוצר בו הפרש טמפרטורה בין גוף הקירור (מחמם) לגוף הקירור (מקרר). המחמם מעביר חום לנוזל העבודה (לדוגמה, גז). הגוף העובד מתרחב ועושה עבודה. עם זאת, לא כל החום מומר לעבודה. חלק ממנו מועבר למקרר, וחלק, למשל, פשוט נכנס לאטמוספירה. לאחר מכן, על מנת להחזיר את הפרמטרים של נוזל העבודה לערכים המקוריים שלהם ולהתחיל את המחזור מחדש, יש לחמם את נוזל העבודה, כלומר, יש לקחת חום מהמקרר ולהעביר למחמם. המשמעות היא שחום חייב לעבור מגוף קר לגוף חם יותר. ואם תהליך זה יכול להתבצע ללא אספקת אנרגיה מבחוץ, היינו מקבלים מכונת תנועה מתמדת מהסוג השני. אבל מכיוון שלפי החוק השני של התרמודינמיקה זה בלתי אפשרי, אי אפשר גם ליצור מכונת תנועה מתמדת מהסוג השני, שתמיר לחלוטין חום לעבודה.
ניסוחים מקבילים של החוק השני של התרמודינמיקה:
- תהליך בלתי אפשרי, שהתוצאה היחידה שלו היא הפיכת כל כמות החום המתקבלת למערכת לעבודה.
- אי אפשר ליצור מכונת תנועה מתמדת מהסוג השני.
עקרון קרנו
ניקולס לאונרד סיידי קרנו
אבל אם אי אפשר ליצור מכונת תנועה מתמדת, אז אפשר לארגן את מחזור הפעולה של מנוע חום בצורה כזו שהיעילות (גורם היעילות) תהיה מקסימלית.
ב-1824, הרבה לפני שקלאוזיוס ותומסון ניסחו את הנחותיהם שהגדירו את החוק השני של התרמודינמיקה, הפיזיקאי והמתמטיקאי הצרפתי ניקולא לאונרד סאדי קרנו פרסם את עבודתו "הרהורים על הכוח המניע של האש ועל מכונות המסוגלות לפתח את הכוח הזה." בתרמודינמיקה, זה נחשב בסיסי. המדען ערך ניתוח של מנועי הקיטור שהיו קיימים באותה תקופה, שיעילותם הייתה רק 2%, ותיאר את פעולתו של מנוע חום אידיאלי.
במנוע מים, מים אכן פועלים על ידי נפילה מגובה. באנלוגיה, קרנו הציע שחום יכול גם לעשות עבודה, לעבור מגוף חם לגוף קר יותר. זה אומר שעל מנתמנוע החום עבד, צריכים להיות לו 2 מקורות חום עם טמפרטורות שונות. האמירה הזו נקראת עקרון קרנו . ומחזור הפעולה של מנוע החום שנוצר על ידי המדען נקרא מחזור קרנו .
קרנו הגיע עם מנוע חום אידיאלי שיכול לבצע מַקסִימוּם עבודה אפשרית בשל החום המסופק לו.
מנוע החום המתואר על ידי קרנו מורכב ממחמם בעל טמפרטורה T N , נוזל עבודה ומקרר עם טמפרטורה T X .
מחזור קרנו הוא תהליך הפיך מעגלי וכולל 4 שלבים - 2 איזותרמיים ו-2 אדיאבטיים.
השלב הראשון A→B הוא איזותרמי. זה מתרחש באותה טמפרטורה של המחמם ונוזל העבודה T N . במהלך מגע, כמות החום ש ח מועבר מהמחמם לנוזל העבודה (גז בצילינדר). הגז מתרחב איזותרמית ומבצע עבודה מכנית.
על מנת שהתהליך יהיה מחזורי (רציף), יש להחזיר את הגז לפרמטרים המקוריים שלו.
בשלב השני של מחזור B→C, נוזל העבודה והתנור מופרדים. הגז ממשיך להתרחב בצורה אדיאבטית מבלי להחליף חום עם הסביבה. במקביל, הטמפרטורה שלו יורדת לטמפרטורת המקרר. T X וזה ממשיך לעשות עבודה.
בשלב השלישי C→D, נוזל העבודה, בעל טמפרטורה T X , נמצא במגע עם המקרר. תחת פעולת כוח חיצוני, הוא נדחס איזותרמית ומוציא חום בכמות ש X מְקָרֵר. עובדים על זה.
בשלב הרביעי G → A, נוזל העבודה יופרד מהמקרר. תחת פעולתו של כוח חיצוני, הוא נדחס באופן אדיאבטי. עובדים על זה. הטמפרטורה שלו משתווה לטמפרטורת המחמם T N .
הגוף העובד חוזר למצבו המקורי. התהליך המעגלי מסתיים. מתחיל מחזור חדש.
היעילות של מכונת גוף הפועלת לפי מחזור קרנו היא:
היעילות של מכונה כזו אינה תלויה בתכנון שלה. זה תלוי רק בהפרש הטמפרטורה בין התנור למקרר. ואם טמפרטורת המקרר היא אפס מוחלט, אז היעילות תהיה 100%. עד כה אף אחד לא הצליח להמציא משהו טוב יותר.
למרבה הצער, בפועל, אי אפשר לבנות מכונה כזו. תהליכים תרמודינמיים אמיתיים יכולים להתקרב לתהליכים אידיאליים רק בדרגות שונות של דיוק. בנוסף, במנוע חום אמיתי תמיד יהיו הפסדי חום. לכן, היעילות שלו תהיה נמוכה מהיעילות של מנוע חום אידיאלי הפועל לפי מחזור קרנו.
מכשירים טכניים שונים נבנו על בסיס מחזור קרנו.
אם מחזור קרנו מתבצע הפוך, אזי תתקבל מכונת קירור. אחרי הכל, נוזל העבודה ייקח תחילה חום מהמקרר, ואז יהפוך את העבודה שהושקעה ביצירת המחזור לחום, ואז ייתן את החום הזה למחמם. כך פועלים מקררים.
מחזור קרנו ההפוך הוא גם בלב משאבות החום. משאבות כאלה מעבירות אנרגיה ממקורות עם טמפרטורה נמוכה לצרכן עם טמפרטורה גבוהה יותר. אבל, בניגוד למקרר, שבו החום המופק משתחרר לסביבה, במשאבת חום הוא מועבר לצרכן.
החוק השני של התרמודינמיקה
מבחינה היסטורית, החוק השני של התרמודינמיקה נבע מניתוח פעולתם של מנועי חום (S. Carnot, 1824). ישנם מספר ניסוחים מקבילים שלו. עצם השם "החוק השני של התרמודינמיקה" ומבחינה היסטורית הניסוח הראשון שלו (1850) שייכים לר' קלאוזיוס.
החוק הראשון של התרמודינמיקה, המבטא את חוק השימור והטרנספורמציה של אנרגיה, אינו מאפשר לקבוע את כיוון הזרימה של תהליכים תרמודינמיים. בנוסף, ניתן לדמיין תהליכים רבים שאינם סותרים את החוק הראשון, בהם נשמרת אנרגיה, אך הם אינם מבוצעים בטבע.
הניסיון מלמד על כך סוגים שוניםהאנרגיות אינן שוות מבחינת היכולת להפוך לסוגים אחרים של אנרגיה. אנרגיה מכנית ניתנת להמרה מלאה לאנרגיה פנימית של כל גוף. עבור טרנספורמציות הפוכות של אנרגיה פנימית לסוגים אחרים, קיימות הגבלות מסוימות: מלאי האנרגיה הפנימית, בשום פנים ואופן, ניתן להמיר לחלוטין לסוגים אחרים של אנרגיה. כיוון התהליכים בטבע קשור לתכונות המצוינות של טרנספורמציות אנרגיה.
החוק השני של התרמודינמיקה הוא העיקרון הקובע את אי-הפיך של תהליכים מקרוסקופיים המתרחשים בקצב סופי.
שלא כמו תהליכים הפיכים מכניים בלבד (ללא חיכוך) או אלקטרודינמיים (ללא שחרור חום ג'ול), תהליכים הקשורים להעברת חום בהפרש טמפרטורות סופי (כלומר, זרימה במהירות סופית), עם חיכוך, דיפוזיה של גזים, התפשטות גזים לתוך ריק, שחרור חום ג'ול וכו', הם בלתי הפיכים, כלומר, הם יכולים לזרום באופן ספונטני בכיוון אחד בלבד.
החוק השני של התרמודינמיקה משקף את הכיוון תהליכים טבעייםומטיל הגבלות על כיוונים אפשרייםטרנספורמציות אנרגיה במערכות מקרוסקופיות, המציינת אילו תהליכים בטבע אפשריים ואילו לא.
החוק השני של התרמודינמיקה הוא הנחה שלא ניתן להוכיח במסגרת התרמודינמיקה. הוא נוצר על בסיס הכללה של עובדות ניסוי וקיבל אישורים ניסויים רבים.
הצהרות של החוק השני של התרמודינמיקה
1). הניסוח של קרנו: היעילות הגבוהה ביותר של מנוע חום אינה תלויה בסוג נוזל העבודה והיא נקבעת לחלוטין על ידי הטמפרטורות המגבילות, שביניהם פועלת המכונה.
2). הניסוח של קלאוזיוס: לא יתכן תהליך שהתוצאה היחידה שלו היא העברת אנרגיה בצורת חום מגוף פחות מחומם, לגוף חם יותר.
החוק השני של התרמודינמיקה אינו אוסר על העברת חום מגוף פחות מחומם לגוף חם יותר. מעבר כזה מתבצע במכונת הקירור, אך במקביל, כוחות חיצוניים מבצעים עבודה על המערכת, כלומר. מעבר זה אינו התוצאה היחידה של התהליך.
3). ניסוח קלווין: אין תהליך מעגלי אפשרי, התוצאה היחידה שלה היא שינוי חום, מתקבל מהמחמם, לעבודה שווה ערך.
במבט ראשון, אולי נראה שניסוח כזה סותר את ההתפשטות האיזוטרמית של גז אידיאלי. ואכן, כל החום שמקבל גז אידיאלי מגוף כלשהו הופך לחלוטין לעבודה. עם זאת, השגת חום והמרתו לעבודה אינה התוצאה הסופית היחידה של התהליך; בנוסף, כתוצאה מהתהליך מתרחש שינוי בנפח הגז.
נ.ב.: יש לשים לב למילים "התוצאה היחידה"; איסורי החוק השני מתבטלים אם התהליכים הנדונים אינם היחידים.
4). הניסוח של אוסטוולד: יישום של מכונת תנועה מתמדת מהסוג השני הוא בלתי אפשרי.
מכונת תנועה מתמדת מהסוג השני היא מכשיר הפועל מעת לעת, מה שכן עובד על ידי קירור מקור חום אחד.
דוגמה למנוע כזה יהיה מנוע ספינה שלוקח חום מהים ומשתמש בו כדי להניע את הספינה. מנוע כזה יהיה למעשה נצחי, כי. מאגר אנרגיה ב סביבהכמעט בלתי מוגבל.
מנקודת המבט של הפיזיקה הסטטיסטית, לחוק השני של התרמודינמיקה יש אופי סטטיסטי: הוא תקף להתנהגות הסבירה ביותר של המערכת. קיומן של תנודות מעכב את יישומו המדויק, אך ההסתברות לכל הפרה משמעותית קטנה ביותר.
אנטרופיה
המושג "אנטרופיה" הוכנס למדע על ידי ר' קלאוזיוס בשנת 1862 והוא נוצר משתי מילים: " he"- אנרגיה," מְלִיצָה" - אני מסתובב.
על פי חוק האפס של התרמודינמיקה, מערכת תרמודינמית מבודדת עוברת באופן ספונטני עם הזמן למצב של שיווי משקל תרמודינמי ונשארת בה לזמן ארוך באופן שרירותי אם התנאים החיצוניים נשארים ללא שינוי.
במצב שיווי משקל, כל סוגי האנרגיה של המערכת מומרים לאנרגיה תרמית של תנועה כאוטית של אטומים ומולקולות המרכיבות את המערכת. לא יתכנו תהליכים מקרוסקופיים במערכת כזו.
אנטרופיה משמשת כמדד כמותי למעבר של מערכת מבודדת למצב שיווי משקל. כאשר המערכת עוברת למצב שיווי משקל, האנטרופיה שלה גדלה ומגיעה למקסימום כאשר מגיעים למצב שיווי המשקל.
אנטרופיה היא פונקציה של מצבה של מערכת תרמודינמית, המסומנת ב: .
נימוק תיאורטי: חום מופחת,אנטרופיה
מהביטוי ליעילות של מחזור קרנו: 
מכאן נובע שאו , היכן היא כמות החום שנותן נוזל העבודה למקרר, אנו מקבלים: .
אז ניתן לכתוב את היחס האחרון כך:
היחס בין החום שמקבל הגוף בתהליך איזותרמי לטמפרטורה של הגוף המשחרר חום נקרא כמות מופחתת של חום:
בהתחשב בנוסחה (2), ניתן לייצג את הנוסחה (1) כ:
הָהֵן. עבור מחזור קרנו סכום אלגברימכמויות החום המופחתות הוא אפס.
כמות החום המופחתת המועברת לגוף בחלק קטן לאין שיעור של התהליך:.
כמות החום המופחתת עבור קטע שרירותי:
ניתוח תיאורטי קפדני מראה כי עבור כל תהליך מעגלי הפיך, הסכום של כמויות החום המופחתות הוא אפס:
מהשוויון לאפס של האינטגרל (4) עולה שהאינטגרנד הוא ההפרש הכולל של פונקציה כלשהי, שנקבע רק על פי מצב המערכת ואינו תלוי בדרך שבה הגיעה המערכת למצב זה:
פונקציית מצב של ערך יחיד, שההפרש הכולל שלו הוא ,שנקרא אנטרופיה .
נוסחה (5) תקפה רק עבור תהליכים הפיכים; במקרה של תהליכים בלתי הפיכים ללא שיווי משקל, ייצוג כזה אינו תקף.
מאפייני אנטרופיה
1). אנטרופיה נקבעת עד קבוע שרירותי. משמעות פיזיתאין את האנטרופיה עצמה, אלא את ההבדל בין האנטרופיות של שני מצבים:
. (6)
דוגמא: אם המערכת (הגז האידיאלי) מבצעת מעבר שיווי משקל ממצב 1 למצב 2, אז השינוי באנטרופיה הוא:
,
איפה ; 
.
הָהֵן. השינוי באנטרופיה של גז אידיאלי במהלך המעבר שלו ממצב 1 למצב 2 אינו תלוי בסוג תהליך המעבר.
במקרה הכללי, בנוסחה (6), תוספת האנטרופיה אינה תלויה בנתיב האינטגרציה.
2) ניתן לקבוע את הערך המוחלט של האנטרופיה באמצעות החוק השלישי של התרמודינמיקה (משפט נרנסט):
האנטרופיה של כל גוף שואפת לאפס כאשר הטמפרטורה שלו שואפת לאפס המוחלט: .
לפיכך, עבור נקודת ההתייחסות הראשונית של האנטרופיה נלקחת ב .
3). אנטרופיה היא כמות תוסף, כלומר. האנטרופיה של מערכת של מספר גופים היא סכום האנטרופיות של כל גוף:.
4). כמו אנרגיה פנימית, אנטרופיה היא פונקציה של הפרמטרים של המערכת התרמודינמית .
5), התהליך המתרחש באנטרופיה קבועה נקרא איזנטרופי.
בתהליכי שיווי משקל ללא העברת חום, האנטרופיה לא משתנה.
בפרט, תהליך אדיאבטי הפיך הוא איזנטרופי: עבורו; , כלומר .
6). בנפח קבוע, אנטרופיה היא פונקציה הגדלת מונוטונית של האנרגיה הפנימית של הגוף.
ואכן, מהחוק הראשון של התרמודינמיקה נובע שבשעה יש לנו: , לאחר מכן . אבל הטמפרטורה היא תמיד לכן, המעלות ויש להם אותו סימן, שהיה צריך להוכיח.
דוגמאות לשינוי אנטרופיה בתהליכים שונים
1). עם התפשטות איזוברית של גז אידיאלי
2). עם התפשטות איזוכורית של גז אידיאלי
3). בהתפשטות איזותרמית של גז אידיאלי
.
4). בְּ מעברי פאזה
דוגמא: מצא את השינוי באנטרופיה במהלך הפיכת מסה של קרח בטמפרטורה לקיטור.
פִּתָרוֹן
החוק הראשון של התרמודינמיקה: 
.
ממשוואת מנדלייב-קלפיירון עולה:.
אז הביטויים לחוק הראשון של התרמודינמיקה יקבלו את הצורה:
.
כאשר עוברים מאחד מצב צבירהלאחר, השינוי הכולל באנטרופיה הוא סכום השינויים ב תהליכים בודדים:
א). חימום קרח מטמפרטורה לנקודת התכה:
, היכן קיבולת החום הספציפית של קרח.
ב). קרח נמס: 
, איפה החום הספציפי של הפשרת הקרח.
IN). חימום מים מטמפרטורה לנקודת רתיחה:
היכן קיבולת החום הספציפית של מים.
ז). אידוי מים: 
, איפה החום הסגולי של אידוי של מים.
אז השינוי הכולל באנטרופיה הוא:
עיקרון הגדלת אנטרופיה
האנטרופיה של מערכת סגורה עבור כל, תהליכים המתרחשים בו אינם פוחתים:
או לתהליך הסופי: , לכן: .
סימן השוויון מתייחס לתהליך הפיך, סימן אי השוויון לתהליך בלתי הפיך. שתי הנוסחאות האחרונות הן ביטוי מתמטיהחוק השני של התרמודינמיקה. לפיכך, הכנסת המושג "אנטרופיה" אפשרה לנסח באופן מתמטי למהדרין את החוק השני של התרמודינמיקה.
תהליכים בלתי הפיכים מובילים לכינון מצב שיווי משקל. במצב זה, האנטרופיה של מערכת מבודדת מגיעה למקסימום. לא יתכנו תהליכים מקרוסקופיים במערכת כזו.
גודל השינוי באנטרופיה הוא מאפיין איכותי של מידת הבלתי הפיך של התהליך.
העיקרון של הגדלת האנטרופיה חל על מערכות מבודדות. אם המערכת לא מבודדת, האנטרופיה שלה עלולה לרדת.
סיכום: כי כל התהליכים האמיתיים הם בלתי הפיכים, ואז כל התהליכים במערכת סגורה מובילים לעלייה באנטרופיה שלה.
ביסוס תיאורטי של העיקרון
הבה נבחן מערכת סגורה המורכבת מתנור חימום, מקרר, נוזל עבודה ו"צרכן" של העבודה המבוצעת (גוף המחליף אנרגיה עם נוזל העבודה רק בצורה של עבודה) המבצע את מחזור קרנו. זהו תהליך הפיך ששינוי האנטרופיה שלו הוא:
,
היכן השינוי באנטרופיה של נוזל העבודה; הוא השינוי באנטרופיה של המחמם; הוא השינוי באנטרופיה של המקרר; – שינוי באנטרופיה של ה"צרכן" של העבודה.
החוק השני של התרמודינמיקה קשור לשמותיהם של N. Carnot, W. Thomson (Kelvin), R. Clausius, L. Boltzmann, W. Nernst.
החוק השני של התרמודינמיקה מציג פונקציית מצב חדשה - אנטרופיה. המונח "אנטרופיה", שהוצע על ידי ר' קלאוזיוס, נגזר מיוונית. אנטרופיהופירושו "טרנספורמציה".
ראוי להביא את המושג "אנטרופיה" בניסוח של א' זומרפלד: "לכל מערכת תרמודינמית יש פונקציית מצב הנקראת אנטרופיה. האנטרופיה מחושבת באופן הבא. המערכת מועברת ממצב התחלתי שנבחר באופן שרירותי למצב הסופי המתאים באמצעות רצף של מצבי שיווי משקל; כל חלקי החום dQ המוליכים למערכת מחושבים, כל אחד מהם מחולק בטמפרטורה המוחלטת המתאימה לו ט,וכל הערכים שהושגו בדרך זו מסוכמים (החלק הראשון של החוק השני של התרמודינמיקה). בתהליכים אמיתיים (לא אידיאליים), האנטרופיה של מערכת מבודדת גדלה (החלק השני של החוק השני של התרמודינמיקה)."
חשבונאות ושימור של כמות האנרגיה עדיין לא מספיקים כדי לשפוט את האפשרות של תהליך מסוים. אנרגיה צריכה להיות מאופיינת לא רק בכמות, אלא גם באיכות. יחד עם זאת, חיוני שאנרגיה באיכות מסוימת תוכל להפוך באופן ספונטני רק לאנרגיה באיכות נמוכה יותר. הכמות הקובעת את איכות האנרגיה היא אנטרופיה.
התהליכים בחומר חי ובחומר שאינו חי בכללותו מתנהלים כך שהאנטרופיה במערכות מבודדות סגורות עולה, ואיכות האנרגיה יורדת. זו המשמעות של החוק השני של התרמודינמיקה.
אם נסמן את האנטרופיה ב-S, אז
התואם את החלק הראשון של החוק השני לפי זומרפלד.
אתה יכול להחליף את הביטוי לאנטרופיה במשוואת החוק הראשון של התרמודינמיקה:
dU=T × dS – dU.
נוסחה זו ידועה בספרות כיחס גיבס. משוואה בסיסית זו משלבת את החוק הראשון והשני של התרמודינמיקה וקובעת, בעצם, את כל התרמודינמיקה של שיווי המשקל.
החוק השני קובע כיוון מסוים של זרימת התהליכים בטבע, כלומר "חץ הזמן".
המשמעות של אנטרופיה מתגלה בצורה הכי עמוקה בהערכה הסטטית של אנטרופיה. בהתאם לעקרון בולצמן, אנטרופיה קשורה להסתברות למצב המערכת על ידי היחס הידוע
ס=K × LnW,
איפה Wהיא ההסתברות התרמודינמית, ו להוא קבוע בולצמן.
ההסתברות התרמודינמית, או המשקל הסטטי, מובנת כמספר ההתפלגות השונות של חלקיקים בקואורדינטות ובמהירויות התואמות למצב תרמודינמי נתון. עבור כל תהליך המתרחש במערכת מבודדת ומעביר אותו ממצב 1 למצב 2, השינוי Δ Wהסתברות תרמודינמית חיובית או שווה לאפס:
ΔW \u003d W 2 - W 1 ≥ 0
במקרה של תהליך הפיך, ΔW = 0, כלומר ההסתברות התרמודינמית, קבועה. אם מתרחש תהליך בלתי הפיך, אז Δ W > 0 ו Wעולה. המשמעות היא שתהליך בלתי הפיך מעביר את המערכת ממצב פחות סביר למצב סביר יותר. החוק השני של התרמודינמיקה הוא חוק סטטיסטי, הוא מתאר את חוקי התנועה הכאוטית של מספר רב של חלקיקים המרכיבים מערכת סגורה, כלומר האנטרופיה מאפיינת את מידת האקראיות, אקראיות של חלקיקים במערכת.
ר' קלאוזיוס הגדיר את החוק השני של התרמודינמיקה באופן הבא:
תהליך מעגלי בלתי אפשרי, שהתוצאה היחידה שלו היא העברת חום מגוף פחות מחומם לגוף חם יותר (1850).
בקשר לניסוח זה באמצע המאה XIX. הוגדרה הבעיה של מה שנקרא מוות החום של היקום. בהתחשב ביקום כמערכת סגורה, ר' קלאוזיוס, בהסתמך על החוק השני של התרמודינמיקה, טען שבמוקדם או במאוחר האנטרופיה של היקום חייבת להגיע למקסימום. העברת חום מגופים מחוממים יותר לגופים מחוממים פחות תוביל לכך שהטמפרטורה של כל גופי היקום תהיה זהה, שיווי משקל תרמי מוחלט יגיע וכל התהליכים ביקום ייפסקו - מוות תרמי של היקום יבוא.
המסקנה השגויה לגבי המוות התרמי של היקום היא שלא ניתן ליישם את החוק השני של התרמודינמיקה על מערכת שאינה מערכת סגורה, אלא מערכת מתפתחת עד אין קץ. היקום מתרחב, גלקסיות מתרחקות במהירויות הולכות וגדלות. היקום אינו נייח.
הניסוחים של החוק השני של התרמודינמיקה מבוססים על הנחות שהן תוצאה של מאות שנים של ניסיון אנושי. בנוסף להנחתה המפורטת של קלאוסיוס, יש בהנחייתו של תומסון (קלווין), המדברת על חוסר האפשרות לבנות מנוע חום תמידי מהסוג השני (perpetuum mobile), כלומר מנוע הממיר לחלוטין חום לעבודה. להפוך למפורסם ביותר. על פי הנחה זו, מכל החום המתקבל ממקור חום בעל טמפרטורה גבוהה - גוף קירור, ניתן להמיר רק חלק לעבודה. את השאר יש להפנות לגוף קירור עם טמפרטורה נמוכה יחסית, כלומר להפעלת מנוע חום, לפחותשני מקורות חום בטמפרטורות שונות.
זה מסביר את הסיבה לכך שאי אפשר להמיר את חום האטמוספירה המקיפה אותנו או את חום הימים והאוקיינוסים לעבודה בהיעדר אותם מקורות חום בקנה מידה גדול עם טמפרטורה נמוכה יותר.
