Δεύτερος θερμοδυναμικός νόμος

Μια θερμική μηχανή αριστερά και μια ψυκτική δεξιά. Σε κάθε μηχανή το πάνω ορθογώνιο αναπαριστά μια δεξαμενή ψηλής θερμοκρασίας και το κάτω ορθογώνιο μια δεξαμενή χαμηλής θερμοκρασίας. Τα βέλη αναπαριστούν τη μεταφορά ενέργειας. Από αυτό το σχήμα φαίνεται ότι η θερμική μηχανή είναι το θεωρητικό αντίστροφο της ψυκτικής μηχανής.

Ο δεύτερος θερμοδυναμικός νόμος είναι ο ένας σημαντικός νόμος της θερμοδυναμικής. Υπάρχουν δύο ισοδύναμες βασικές διατυπώσεις του νόμου:

• Κάθε θερμική μηχανή έχει απώλειες ενέργειας.
• Για τη λειτουργία μιας ψυκτικής μηχανής απαιτείται καταβολή ενέργειας.

Εξετάζοντας τον νόμο με βάση την εντροπία με κάθε μεταβολή που γίνεται στο σύστημα η συνολική εντροπία μεγαλώνει και μόνο στην ιδανική περίπτωση των αντιστρεπτών μεταβολών μένει σταθερή.

Θερμική μηχανή

Θερμική μηχανή είναι μια μηχανή η οποία παράγει έργο στηριζόμενη σε θερμοδυναμικά φαινόμενα. Για να λειτουργήσει η μηχανή μεταβάλλεται περιοδικά η θερμοκρασία κάποιου σώματος, συνήθως κάποιου αερίου. Η μεταβολή της θερμοκρασίας του σώματος γίνεται με μεταφορά θερμότητας. Αρχικά στο σώμα δίνεται θερμική ενέργεια, δηλαδή αυξάνεται η θερμοκρασία του. Το σώμα αποβάλλει την ενέργεια παράγοντας έργο για να επανέλθει στην αρχική του κατάσταση και να ξαναπροσλάβει ενέργεια, δηλαδή η θερμική μηχανή ολοκλήρωσε έναν κύκλο λειτουργίας. Η θερμική ενέργεια που δόθηκε στο σώμα είναι σε γενικές γραμμές η ενέργεια που καταναλώνει η μηχανή, ενώ το έργο που παράγει το σώμα είναι το έργο που παράγει η μηχανή. Στον κύκλο λειτουργίας εκτός από αυτές τις δύο βασικές μεταβολές συμμετέχουν και άλλες. Σύμφωνα με το δεύτερο θερμοδυναμικό νόμο σε κάθε κύκλο λειτουργίας υπάρχει ένα ποσό ενέργειας το οποίο αποβάλλει το σώμα όχι με τη μορφή έργου, αλλά με τη μορφή θερμότητας. Έτσι σε κάθε κύκλο λειτουργίας, η ενέργεια του έργου, δηλαδή η ωφέλιμη ενέργεια που δίνει η μηχανή είναι μικρότερη από την ενέργεια που της δόθηκε.

Από μηχανική άποψη ο δεύτερος θερμοδυναμικός νόμος σημαίνει ότι σε οποιοδήποτε θερμικό σύστημα υπάρχει σπατάλη ενέργειας. Ακόμη μεγαλύτερους περιορισμούς θέτει η μηχανή Καρνό. Ο Καρνό απέδειξε ότι η θεωρητική του μηχανή έχει τη μέγιστη δυνατή αποδοτικότητα, άρα οι απώλειές της είναι οι ελάχιστες δυνατές.

Ψυκτική μηχανή

Η θερμική ενέργεια μεταφέρεται αυθόρμητα από θερμότερα σώματα σε ψυχρότερα. Ωστόσο, μπορεί να συμβεί και το αντίστροφο ως το τελικό αποτέλεσμα μιας ψυκτικής μηχανής. Σύμφωνα με το νόμο για να γίνει αυτό πρέπει να καταβληθεί ενέργεια. Η ενέργεια που καταβάλλεται καταλήγει με τη μορφή θερμότητας στο θερμό σώμα η οποία προστίθεται στη θερμότητα που προέρχεται από το ψυχρό. Αυτή η διαδικασία χρησιμοποιείται στις ψυκτικές μηχανές. Η ψυκτική μηχανή είναι το αντίθετο της θερμικής μηχανής. Σε όρους μαθηματικής λογικής η μία διατύπωση του νόμου είναι το αντιστροφοαντίθετο της άλλης διατύπωσης.