Необратимость тепловых процессов; второй закон термодинамики и его статистическое истолкование.

Второй закон термодинамики указывает направление возможных энергетических превращений и тем самым выражает необратимость процессов в природе. Он был установлен путем непосредственного обобщения опытных фактов.
Развивая идеи С. Карно, Клаузиус дал формулировку второго закона термодинамики, в которой содержалось утверждение о необратимости процесса передачи теплоты. В области молекулярно-кинетической теории Клаузиус ввел понятие длины свободного пробега, количественно объяснил явления диффузии, теплопроводности и внутреннего трения в газах.
Р. Клаузиус сформулировал этот закон так: невозможно перевести тепло от более холодной системы к более горячей при отсутствии одновременных изменений в обеих системах или окружающих телах. Другая формулировка принадлежит английскому ученому У. Кельвину:
невозможно осуществить такой периодический процесс, единственным результатом которого было бы получение работы за счет теплоты, взятой от одного источника.
Ни один тепловой двигатель не может иметь коэффициент полезного действия, равный единице. Под коэффициентом полезного действия η теплового двигателя понимают отношение совершенной машиной работы А к количеству полученной для этой цели теплоты Q:
При адиабатном расширении газа в цилиндре работа совершается за счет убыли внутренней энергии без передачи теплоты другим телам. Согласно формуле А' = -А = -Δ U. При изотермическом процессе вся передаваемая газу теплота оказывается равной работе газа: А' = Q.
Если первый закон термодинамики (закон сохранения энергии) можно высказать в форме утверждения: невозможно построить вечный двигатель первого рода, то формулировка второго закона, данная Кельвином, позволяет выразить этот закон в виде утверждения: невозможно построить вечный двигатель второго рода, т. е. двигатель, совершающий работу за счет охлаждения какого-либо одного тела.
Второй закон термодинамики констатирует факт необратимости процессов в природе, но не дает ему никакого объяснения. Это объяснение может быть получено только на основе молекулярно-кинетической теории, и оно является далеко не простым.
Необратимость макропроцессов выглядит парадоксально, потому что все микропроцессы обратимы во времени. Уравнения движения отдельных микрочастиц, как классические, так и квантовые, обратимы во времени, ибо никаких сил трения, зависящих от скорости, не содержат. Сила трения — это макроскопический эффект от взаимодействия большого тела с огромным количеством молекул окружающей среды, и появление этой силы само нуждается в объяснении. Можно привести много примеров необратимости тепловых процессов. Если два тела разной температуры соприкасаются, то более горячее тело остывает, а более холодное нагревается, хотя закон сохранения энергии, вообще говоря, не запрещает и обратное. Поэтому теплообмен между неодинаково нагретыми телами тоже необратим и происходит только от более нагретого тела к менее нагретому. Свойство газа занимать весь объём сосуда, в котором он находится, тоже возникает из-за стремления молекул газа к беспорядку. Если сначала разместить все молекулы газа в какой-то малой части сосуда, а потом снять ограничения, разрешив им двигаться, то они равномерно заполнят весь его объём.. Поэтому и этот процесс расширения газа тоже необратим.

Таким образом, можно утверждать, что, если замкнутая система из макроскопических тел переходит в другое состояние, то этот переход необратим, т.к. он всегда происходит из менее вероятного состояния в более вероятное. Это утверждение называют вторым законом термодинамики, который указывает направление протекания тепловых процессов в природе.

Другими словами, теплообмен в замкнутой системе может происходить только в одном направлении – от горячего тела к холодному.