Утверждение, выражаемое записью, есть одна из формулировок II закона термодинамики. Другие формулировки II закона термодинамики (классические) читаются так: Невозможен двигатель, который периодически забирал бы из одного теплового резервуара некоторое количество тепла и полностью превращал бы его в работу без каких-либо изменений в окружающих телах (формулировка Томсона-Кельвина).
Невозможен самопроизвольный переход тепла от тела с меньшей температурой к телу с большей температурой без каких-либо изменений в окружающих телах (формулировка Клаузиуса). Тепловой двигатель, упомянутый в формулировке Томсона-Кельвина, называют вечным двигателем II рода. Невозможен вечный двигатель II ро-да – это уже формулировка Планка.
Все приведённые формулировки равносильны. В своё время формулировки II закона термодинамики появились в связи с вопросом о к.п.д. тепловых машин. В тепловых машинах система периодически должна совершать работу над внешними телами. Это значит, что система периодически должна возвращаться в начальное состояние 1, причём возвращаться иным путём, нежели при удалении из состояния 1 (чтобы работа над системой при возвращении её была меньше работы системы над внешними телами при удалении её из состояния 1). То есть система совершает замкнутый процесс – цикл.
За цикл совершается в целом положительная работа A, которая численно равна площади фигуры цикла. Это ясно видно, если используется диаграмма V – p. На какой- то части цикла система получает тепло Q1 от одних внешних тел – нагревателя. На другой части цикла система отдаёт некоторое количество тепла Q2. Как можно убедиться с помощью формулировок II закона, получать тепло от системы должны уже другие тела – холодильник. По I закону термодинамики для цикла Q = Q1 - Q2 = A, так как изменение внутренней энергии за цикл равно нулю. Работа A считается полезной величиной, теплота нагревателя Q1 считается затратами. К.п.д. цикла (т.е. к.п.д. тепловой машины). Как II закон термодинамики помогает делать суждения о к.п.д. тепловой машины при конкретных холодильнике и нагревателе и как "перекликаются" между собой разные формулировки II закона термодинамики, разберём всё это на следующем примере.
Пусть имеются два массивных тела с температурами T1 и T2 < T1 соответственно. В дальнейшем будем их называть термостатами. Ещё тело 1 можно назвать нагревателем, тело 2 –– холодильником. Если бы не было тела 2 (холодильника), получить работу с помощью одного первого тела было бы невозможно. Об этом прямо говорит формулировка Томсона – Кельвина. С точки зрения энтропии система (тело 1 находится в равновесии, энтропия максимальна, процессы возникнуть не могут (энтропия не может убывать).
Большая система из двух тел 1 и 2 является в принципе неравновесной, так как температуры её частей разные. В этой системе «можно спровоцировать» процессы и получить работу. Простой контакт тела 1 с телом 2 ничего не даст. Будет необратимый процесс теплопроводности подобно процессу в примере 1. Работа не совершается (нет перемещений стенок). Нужно поступить более разумно – ввести рабочее тело, которое поочередно то контактирует с телом 1, то не контактирует ни с каким телом, то контактирует с телом 2. Лучше всего роль рабочего тела выполняет газ, так как он заметно меняет свой внешний параметр – объём.
Работа, совершаемая рабочим телом, будет тем больше, чем меньше мы допустим какие-либо необратимые процессы. Самый лучший случай – случай, когда необратимые процессы вовсе исключены. Это значит, что при контакте рабочего тела с термостатом 1 температура рабочего тела должна быть T1 , а при контакте его с термостатом 2 температура должна быть T2. Когда рабочее тело не контактирует ни с одним термостатом (изолировано), температура его меняется между значениями T1 и T2.. Таким образом, самый выгодный цикл с рабочим телом в случае термостатов с постоянными температурами T1 и T2 должен состоять из двух изотерм и двух адиабат.
Такой цикл называется циклом Карно. К.п.д. тепловой машины, работающей с нагревателем, постоянная температура которого T1, и холодильником, постоянная температура которого T2, будет максимально возможным, если цикл рабочего тела есть цикл Карно. Выделенное предложение есть содержание теоремы Карно. Легко составить формулу для к.п.д. цикла Карно.