Два основных режима действия тепловой машины (любой цикл)

Ясно, что в принципе тепловая машина может действовать только в двух основных режимах, отличающихся общим направлением потока теплоты и работы, причем знаки всех величин Q и W изменяются на обратные; здесь и далее все величины Q и W рассматриваются как алгебраические с правилом знаков, выбранным относительно рабочего тела, причем d и δ означают соответственно полный (применительно к U и S) и неполный (применительно к W и Q) дифференциалы.

Эти режимы следующие: 1) в прямом («естественном», или спонтанном) направлении, когда поток теплоты идет от нагревателя к рабочему телу (Q⁺>0) и от последнего к холодильнику (Q^–<0), так что в результате совершается полезная работа W>0 тепловой машины над окружением; 2) в обратном («противоестественном», или принудительном) направлении, когда поток теплоты идет в направлении от холодильника (Q^–>0) к нагревателю (Q⁺<0) через рабочее тело, что возможно лишь при затрате работы W<0, совершаемой внешним окружением над тепловой машиной.

Разумеется, в обоих режимах выполняется 1–ое начало термодинамики, или обобщенный закон сохранения энергии dU=–δW+δQ, согласно которому для любой тепловой машины в результате замкнутого цикла всегда выполняется соотношение

 

0=–W+Q⁺+Q^–; (1)

 

Очевидно, что центральный пункт здесь в том, что внутренняя энергия U рабочего тела является функцией его состояния, и, следовательно, по определению, ее изменение в замкнутом цикле в точности равно нулю (левая часть равенства (1)).

Аналогично, как впервые показал Карно для предложенного им замкнутого цикла (две изотермы и две адиабаты, оптимального в смысле значения W), в обоих режимах выполняется и другое соотношение для «приведенных теплот» δQ/T=dS:

 

0=Q⁺/Т⁺+Q^–/Т^–. (2)

 

Впоследствии Клаузиус осмыслил это соотношение как проявление 2–го начала термодинамики для частного случая обратимых равновесных процессов. В общем (неравновесном и необратимом) случае знак равенства в (2) заменяется знаком неравенства (≤). Здесь центральным пунктом является то, что равновесная энтропия рабочего тела также является функцией его состояния, и, следовательно, по пределению, ее изменение в замкнутом цикле в точности равно нулю (левая часть равенства (2)).