Существует ряд формулировок этого закона, различных по форме, но одинаковых по существу.
Первая формулировка этого закона была дана в 1850 г. немецким учёным Р. Клаузиусом в следующем виде:
² Теплота не может самопроизвольно переходить от более холодного тела к более нагретому².
Существует также следующая формулировка этого закона, данная Клаузиусом, в следующем виде:
² Невозможен процесс, единственным результатом которого была бы передача теплоты от холодного тела к горячему².
Слово "единственным" подчеркивает не только невозможность непосредственной самопроизвольной передачи теплоты от холодного тела к горячему, но и невозможность осуществления такого процесса без того, чтобы в окружающей среде не остались бы какие-либо изменения, т.е. не произошел бы компенсирующий процесс. Так, например, для охлаждения продуктов в холодильнике, т.е. отбора от них теплоты и передачи её в более нагретую атмосферу необходима затрата электроэнергии, что и является в данном случае компенсирующим процессом.
Вторая формулировка была дана (независимо от Р. Клаузиуса) в 1851 г. английским физиком У. Томсоном (Кельвином).
Многолетняя практика создания тепловых двигателей показывает, что подводимое в нем тепло к газу не все преобразуется в работу. Для возвращения газа в исходное состояние в процессе термодинамического цикла, состоящего из нескольких процессов, обязательно должен быть процесс, в котором происходит отвод части подведенного к газу тепла во внешнюю среду. Без этого процесса невозможно вернуть газ в исходное состояние после подвода к нему теплоты q 1 (процесс 1-2, рис. 3.4) и последующего его адиабатного расширения (процесс 2-3) путем только адиабатного сжатия, т.е. без отвода теплоты q 2.
Это объясняется тем, что адиабатные процессы 2-3 и 4-1, соответствующие состоянию газа в начале и в конце процесса 1-2 различны, поэтому не пересекаются. Действительно, адиабата, проходящая через точку 1, описывается уравнением
,
откуда следует, что 
,
|
| Рис. 3.4 |
Адиабата, проходящая через точку 2, описывается уравнением 
, откуда следует, что 
.
Так как параметры 
и 
различны, то и адиабаты, описываемые этими уравнениями, различны, поэтому не пересекаются.
Следовательно, для возвращения газа в исходное состояние 1 после подвода к нему теплоты q 1 в процессе 1-2 и последующего адиабатного расширения в процессе 2-3 необходимо отвести от него во внешнюю среду в процессе 3-4 теплоту q 2, а затем путем адиабатного сжатия возвратить газ в исходное состояние (в точку 1).
На основании выше изложенного У. Томсон дал формулировку второго закона термодинамики в следующем виде:
²Невозможно создать периодически действующую машину, совершающую механическую работу только за счет охлаждения одного источника теплоты (без изменения термодинамического состояния других тел)².
Эта формулировка встречается и в таком виде:
²Невозможно создать периодически действующую машину, все действие которой сводилось бы только к производству механической работы и охлаждению источника теплоты².
Т.е. в тепловых машинах в работу преобразуется только часть тепла q 1, подведенного к газу, а другая часть q 2 отводится в теплоприемник, более холодному телу.
Следовательно, для функционирования тепловых машин необходим не только источник теплоты q 1 (теплоотдатчик), но и теплоприемник, который воспринимает ту часть теплоты q 2, которая не превращается в работу.
Заметим, что если бы было возможно создать двигатель, производящий полезную работу только за счет отбора теплоты, например, от океанской воды или от земной поверхности, то такой двигатель мог бы работать вечно, так как запасы тепловой энергии в океанской воде, земле и атмосфере практически не ограничены. Такой двигатель немецкий физик В. Оствальд назвал вечным двигателем второго рода и дал третью формулировку этого закона:
“Невозможно создать вечный двигатель второго рода”.
