Необратимость тепловых процессов

Первый закон термодинамики является законом сохранения энергии при протекании тепловых процессов, когда энергия одного вида превращается в другой.

Первый закон термодинамики, устанавливая энергетическое равенство при протекании процессов, нс дает указания на то, в каком направлении протекают процессы, и почему они происходят так, а не иначе.

При взаимодействии тел и систем происходящие процессы имеют определенную направленность. Так, при затухающих колебаниях маятника его механическая энергия постепенно переходит во внутреннюю энергию маятника и окружающей среды, обратного же процесса не происходит.

Растворение сахара в воде, передача теплоты от горячего тела к холодному являются примерами односторонне протекающих процессов. Примерами необратимых процессов являются диффузия, теплопроводность, вязкое течение жидкости. 11одобные процессы получили название необратимых.

З.10. Второй закон термодинамики

Необратимость процессов, направленность возможных энергетических превращений формулируется с помощью II закона термодинамики, который является обобщением человеческого опыта и наблюдений за явлениями природы. Приведем его формулировку, предложенную немецким ученым Р. Клаузиусом.

Количество теплоты не может быть самопроизвольно передано от тела менее нагретого к телу более нагретому. Здесь следует обратить внимание на слово «самопроизвольно», т.е. происходящее само собой без участия других тел, без изменения их состояния.

Наш повседневный опыт подтверждает верность этого закона термодинамики. Так, в комнате тепло переходит от нагретой батареи отопления к воздуху и предметам, находящимся в комнате, а не наоборот.

В холодильных машинах тепло забирается от морозильника и передается окружающей среде. Однако нарушение II закона термодинамики здесь не происходит, так как этот процесс идет не самопроизвольно, а требует затрат механической энергии, потребляемой электродвигателем холодильника, т.е. процесс «отнятия» тепла от морозильника сопровождается изменением состояния окружающих тел.

Необратимость характерна не только для процесса теплопередачи, но и для всех самопроизвольно протекающих процессов.

Историческая справка. Клаузис Рудольф Юлиус Эмануилъ (1822-1888) - немецкий физик-теоретик, один из создателей термодинамики и кинетической теории газов. Основные работы в области молекулярной физики, термодинамики, теории паровых машин, теоретической механики, математической физики. Развивая идеи С. Карно, сформулировал принцип эквивалентности теплоты и работы. В 1850 г. доказал соотношения между теплотой и механической работой (первое начало термодинамики), сформулировал второе начало термодинамики: «теплота сама по себе не может перейти от более холодного тела к более теплому».

Карно Никола Леонард Сади (1796-1832) - французский физик и инженер. В 1824 г. опубликовал книгу «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развить эту силу». В этой работе впервые доказал, что полезную работу можно получить только в том случае, если тепло переходит от более нагретого тела к менее нагретому (второе начало термодинамики). Ввел понятия кругового и обратимого процессов, а также идеального цикла тепловых машин.

Обратимым называется процесс, который отвечает следующим условиям:

1. его можно провести в двух противоположных направлениях;
2. в каждом из этих случаев система и окружающие ее тела проходят через одни и те же промежуточные состояния;
3. после проведения прямого и обратного процессов система и окружающие ее тела возвращаются к исходному состоянию.

Всякий процесс, не удовлетворяющий хотя бы одному из этих условий, является необратимым .

Так, можно доказать, что абсолютно упругий шарик, падая в вакууме на абсолютно упругую плиту, вернется после отражения в исходную точку, пройдя в обратном направлении все те промежуточные состояния, которые он проходил при падении.

Но в природе нет строго консервативных систем, в любой реальной системе действуют силы трения. Поэтому все реальные процессы в природе необратимы.

Реальные тепловые процессы также необратимы .

1. При диффузии выравнивание концентраций происходит самопроизвольно. Обратный же процесс сам по себе никогда не пойдет: никогда самопроизвольно смесь газов, например, не разделится на составляющие ее компоненты. Следовательно, диффузия - необратимый процесс.
2. Теплообмен, как показывает опыт, также является односторонне направленным процессом. В результате теплообмена энергия передается сама по себе всегда от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. Обратный процесс передачи теплоты от холодного тела к горячему сам по себе никогда не происходит.
3. Необратимым является также процесс превращения механической энергии во внутреннюю при неупругом ударе или при трении.

Между тем из первого закона термодинамики направленность и тем самым необратимость тепловых процессов не вытекает. Первый закон термодинамики требует лишь, чтобы количество теплоты, отданное одним телом, в точности равнялось количеству теплоты, которое получит другое. А вот вопрос о том, от какого тела, от горячего к холодному или наоборот, перейдет энергия, остается открытым.

Направленность реальных тепловых процессов определяется вторым законом термодинамики, который был установлен непосредственным обобщением опытных фактов. Это постулат. Немецкий ученый Р. Клаузиус дал такую формулировку второго закона термодинамики : невозможно перевести тепло от более холодной системы к более горячей при отсутствии других одновременных изменений в обеих системах или окружающих телах.

Из второго закона термодинамики вытекает невозможность создания вечного двигателя второго рода, т.е. двигателя, который бы совершал работу за счет охлаждения какого-либо одного тела.

27.02.2014 8443 0

Цель: показать необратимость процессов в природе. Побуждать учащихся к преодолению трудностей в процессе умственной деятельности, воспитать интерес к физике.

Ход урока

I . Организационный момент

II . Вопросы для повторения

1. Как определить изменение внутренней энергии системы согласно первому закону термодинамики?

2. На что расходуется, согласно I закону термодинамики, количество тепло­ты, подведенное к системе?

3. Какой процесс называется адиабатическим?

4. Сформулируйте I закон термодинамики для адиабатного процесса.

5. За счет какой энергии совершается работа при адиабатичном расширении газа?

6. Почему при адиабатном расширении температура газа падает, а при сжатии возрастает?

III . Изучение нового материала

Задолго до открытия закона сохранения энергии Французская академия наук приняла в 1775 г. решение не рассматривать проектов вечных двигателей перво­го рода. Подобные решения были приняты позднее ведущими научными учреж­дениями других стран.

Под вечным двигателем первого рода понимают устройство, которое могло бы совершать неограниченное количество работы без затраты топлива или дру­гих материалов, т. е. без затраты энергии. Таких проектов было создано очень много. Но все они не действовали вечно, именно это привело к мнению, что здесь дело не в несовершенстве отдельных конструкций, а в общей закономерности.

Согласно I закону термодинамики, если Q = 0, то работа может совершаться за счет убыли внутренней энергии. Если запас энергии исчерпан, двигатель пере­стал работать. Если система изолирована и не совершается работа, то внутрен­няя энергия остается неизменной.

Закон сохранения энергия утверждает, что внутренняя энергия при любых ее превращениях остается неизменной, но ничего не говорит о том, какие превра­щения возможны. Между тем многие процессы, вполне допустимые с точки зре­ния закона сохранения, в действительности не протекают.

Более нагретое тело само собой остывает, передавая свою энергию более хо­лодным телам. Обратный процесс передачи от более холодного тела к горячему не противоречит закону сохранения, но не происходит. Таких примеров можно привести много. Это говорит о том, что процессы в природе имеют определенную направленность, не как не отраженную в первом законе термодинамики. Все про­цессы в природе необратимы (старение организмов).

Можно заставить увеличить амплитуду маятника, подтолкнув его, но это произой­дет не само собой, это результат более сложного процесса, включающего толчок рукой. Второй закон термодинамики указывает направление возможных энергети­ческих превращений и тем самым выражает необратимость процессов в природе Был установлен путем обобщения опыта.

Немецкий ученый Р. Клаузиус сформулировал его так:

Невозможно перевести тепло от более холодной системы к более горячей при отсутствии одновременных изменений в обеих системах или окружающих телах

Английский ученый У. Кельвин сформулировал так:

Невозможно осуществлять периодически такой процесс, единственным резуль­татом которого было бы получение работы за счет теплоты, взятой от одного источника.

Иначе говоря, ни один тепловой двигатель не может иметь коэффициент по­лезного действия, равный единице.

Формулировка второго закона, данная Кельвином, позволяет выразить этот: закон в виде утверждения. Невозможно построить вечный двигатель второго рода т. е. создать двигатель, совершающий работу за счет охлаждения какого-нибудь одного тела.

Вечный двигатель второго рода не нарушает закона сохранения энергии, но если бы он был возможен, мы получили бы практически неограниченный источник работы, черпая ее из океанов и охлаждая их. Однако охлаждение океана, кал только его температура становится ниже температуры окружающей среды, озна­чало бы переход теплоты от более холодного к телу более горячему, а такой процесс идти не может.

Второй закон термодинамики указывает направление процессов в природе.

IV . Закрепление изученного

1. Какие процессы считаются необратимыми?

2. Сформулируйте второй закон термодинамики.

3. Как связана формулировка второго закона термодинамики с необратимос­тью тепловых процессов?

4. В чем заключается статистическая интерпретация второго закона термоди­намики?

Домашнее задание

Закон сохранения энергии утверждает, что количество энергии при любых ее превращениях остается неизменным. Но он ничего не говорит о том, какие энергетические превращения возможны. Между тем многие процессы, вполне допустимые с точки зрения закона сохранения энергии, никогда не протекают в действительности.

Примеры необратимых процессов. Нагретые тела постепенно остывают, передавая свою энергию более холодным окружающим телам. Обратный процесс передачи теплоты от холодного

тела к горячему не противоречит закону сохранения энергии, но такой процесс никогда не наблюдался.

Другой пример. Колебания маятника, выведенного из положения равновесия, затухают (рис. 49; 1, 2, 3, 4 - последовательные положения маятника при максимальных отклонениях от положения равновесия). За счет работы сил трения механическая энергия убывает, а температура маятника и окружающего воздуха (а значит, и их внутренняя энергия) слегка повышается. Энергетически допустим и обратный процесс, когда амплитуда колебаний маятника увеличивается за счет охлаждения самого маятника и окружающей среды. Но такой процесс никогда не наблюдался. Механическая энергия самопроизвольно переходит во внутреннюю, но не наоборот. При этом упорядоченное движение тела как целого превращается в неупорядоченное тепловое движение слагающих его молекул.

Общее заключение о необратимости процессов в природе. Переход теплоты от горячего тела к холодному и механической энергии во внутреннюю - это примеры наиболее типичных необратимых процессов. Число подобных примеров можно увеличить практически неограниченно. Все они говорят о том, что процессы в природе имеют определенную направленность, никак не отраженную в первом законе термодинамики. Все макроскопические процессы в природе протекают только в одном определенном направлении. В обратном направлении они самопроизвольно протекать не могут. Все процессы в природе необратимы, и самые трагические из них - старение и смерть организмов.

Точная формулировка понятия необратимого процесса. Для правильного понимания существа необратимости процессов необходимо сделать следующее уточнение. Необратимым называется такой процесс, обратный которому может протекать только как одно из звеньев более сложного процесса. Так, можно вновь увеличить размах колебаний маятника, подтолкнув его рукой. Но это увеличение возникает не само собой, а становится возможным в результате более сложного процесса, включающего движение руки.

Можно в принципе перевести теплоту от холодного тела к горячему. Но для этого нужна холодильная установка, потребляющая энергию.

Кино «наоборот». Яркой иллюстрацией необратимости явлений в природе служит просмотр кинофильма в обратном направлении. Например, прыжок в воду будет при этом выглядеть следующим образом. Спокойная вода в бассейне начинает бурлить, появляются ноги, стремительно движущиеся вверх, а затем

и весь ныряльщик. Поверхность воды быстро успокаивается. Постепенно скорость ныряльщика уменьшается, и вот уже он спокойно стоит на вышке. То, что мы видим на экране, могло бы происходить в действительности, если бы процессы можно было обратить. «Нелепость» происходящего проистекает из того, что мы привыкли к определенной направленности процессов и не сомневаемся в невозможности их обратного течения. А ведь такой процесс, как вознесение ныряльщика на вышку из воды, не противоречит ни закону сохранения энергии, ни законам механики, ни вообще каким-либо законам, кроме второго закона термодинамики.

Второй закон термодинамики. Второй закон термодинамики указывает направление возможных энергетических превращений и тем самым выражает необратимость процессов в природе. Он был установлен путем непосредственного обобщения опытных фактов.

Есть несколько формулировок второго закона, которые, несмотря на внешнее различие, выражают, в сущности, одно и то же и поэтому равноценны.

Немецкий ученый Р. Клаузиус сформулировал этот закон так: невозможно перевести тепло от более холодной системы к более горячей при отсутствии других одновременных изменений в обеих системах или в окружающих телах.

Здесь констатируется опытный факт определенной направленности теплопередачи: теплота сама собой переходит всегда от горячих тел к холодным. Правда, в холодильных установках осуществляется теплопередача от холодного тела к более теплому, но эта передача связана с «другими изменениями в окружающих телах»: охлаждение достигается за счет работы.

Важность этого закона состоит в том, что из него можно вывести заключение о необратимости не только процесса теплопередачи, но и других процессов в природе. Если бы теплота в каких-либо случаях могла самопроизвольно передаваться от холодных тел к горячим, то это позволило бы сделать обратимыми и другие процессы. В частности, позволило бы создать двигатели, полностью превращающие внутреннюю энергию в механическую.

Энтропия . Физический смысл энтропии. Энтропия при обратимых и необратимых процессах в замкнутой системе. Второе начало термодинамики и превращение теплоты в работу.

Билет 23. 1. Необратимость тепловых процессов; второй за­кон термодинамики и его статистическое истолкование

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

Первый закон термодинамики – закон сохранения энергии для тепловых процессов – устанавливает связь между количеством теплоты Q, полученной системой, изменением ΔU ее внутренней энергии и работой A, совершенной над внешними телами:

Q = ΔU + A.

Согласно этому закону, энергия не может быть создана или уничтожена; она передается от одной системы к другой и превращается из одной формы в другую. Процессы, нарушающие первый закон термодинамики, никогда не наблюдались. Первый закон термодинамики не устанавливает направление тепловых процессов. Однако, как показывает опыт, многие тепловые процессы могут протекать только в одном направлении. Такие процессы называются необратимыми . Например, при тепловом контакте двух тел с разными температурами тепловой поток всегда направлен от более теплого тела к более холодному. Никогда не наблюдается самопроизвольный процесс передачи тепла от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой. Следовательно, процесс теплообмена при конечной разности температур является необратимым. Обратимыми процессами называют процессы перехода системы из одного равновесного состояния в другое, которые можно провести в обратном направлении через ту же последовательность промежуточных равновесных состояний. При этом сама система и окружающие тела возвращаются к исходному состоянию. Процессы, в ходе которых система все время остается в состоянии равновесия, называются квазистатическими . Все квазистатические процессы обратимы. Все остальные круговые процессы, проводимые с двумя тепловыми резервуарами, необратимы. Необратимыми являются процессы превращения механической работы во внутреннюю энергию тела из-за наличия трения, процессы диффузии в газах и жидкостях, процессы перемешивания газа при наличии начальной разности давлений и т. д. Все реальные процессы необратимы, но они могут сколь угодно близко приближаться к обратимым процессам. Обратимые процессы являются идеализацией реальных процессов. Первый закон термодинамики не может отличить обратимые процессы от необратимых. Он просто требует от термодинамического процесса определенного энергетического баланса и ничего не говорит о том, возможен такой процесс или нет. Направление самопроизвольно протекающих процессов устанавливает второй закон термодинамики. Немецкий физик Р. Клаузиус дал формулировку второго закона термодинамики: Невозможен процесс, единственным результатом которого была бы передача энергии путем теплообмена от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой. Второй закон термодинамики связан непосредственно с необратимостью реальных тепловых процессов. Энергия теплового движения молекул качественно отличается от всех других видов энергии – механической, электрической, химической и т. д. Энергия любого вида, кроме энергии теплового движения молекул, может полностью превратиться в любой другой вид энергии, в том числе и в энергию теплового движения. Последняя может испытать превращение в любой другой вид энергии лишь частично. Поэтому любой физический процесс, в котором происходит превращение какого-либо вида энергии в энергию теплового движения молекул, является необратимым процессом, то есть он не может быть осуществлен полностью в обратном направлении. Общим свойством всех необратимых процессов является то, что они протекают в термодинамически неравновесной системе и в результате этих процессов замкнутая система приближается к состоянию термодинамического равновесия. На основании второго закона термодинамики могут быть доказаны следующие утверждения, которые называются теоремами Карно:

1. Коэффициент полезного действия тепловой машины, работающей при данных значениях температур нагревателя и холодильника, не может быть больше, чем коэффициент полезного действия машины, работающей по обратимому циклу Карно при тех же значениях температур нагревателя и холодильника.
2. Коэффициент полезного действия тепловой машины, работающей по циклу Карно, не зависит от рода рабочего тела, а только от температур нагревателя и холодильника.

2 . Ядерные реакции: законы сохранения при ядер­ных реакциях; цепные ядерные реакции; ядерная энергетика; термоядерные реакции.

Ядерными реакциями

Атомные ядра при взаимодействиях испытывают превращения, которые сопровождаются увеличением или уменьшением кинетической энергии участвующих в них частиц

Ядерные реакции происходят, когда частицы вплотную приближаются к ядру и попадают в сферу действия ядерных сил. Одноименно заряженные частицы отталкиваются друг от друга. Поэтому сближение положительно заряженных частиц с ядрами (или ядер друг с другом) возможно, если этим частицам (или ядрам) сообщена большая кинетическая энергия (например, протонам, ядрам дейтерия - дейтронам, а-частицам и другим ядрам с помощью ускорителей элементарных частиц ионов).

Первая ядерная реакция на быстрых протонах была осуществлена в 1932 г. Удалось расщепить литий на а-частицы:

Энергетический выход ядерных реакций. , где т р, т п, с- постоянные величины

В этой реакции удельная энергия связи в ядрах гелия больше удельной энергии связи в ядре лития. Поэтому часть внутренней энергии ядра лития превращается в кинетическую энергию разлетающихся а-частиц.

Изменение энергии связи ядер означает, что суммарная энергия покоя участвующих в реакциях частиц и ядер не остается неизменной. Ведь энергия покоя ядра М я согласно формуле непосредственно выражается через энергию связи. В соответствии с законом сохранения энергии изменение кинетической энергии в процессе распада равно изменению энергии покоя участвующих в реакции ядер и частиц.

Энергетическим выходом ядерной реакции называется разность энергий покоя ядер и частиц до реакции и после реакции. Согласно сказанному ранее энергетический выход ядерной реакции равен также изменению кинетической энергии частиц - участников реакции.

Ядерные реакции на нейтронах.

Открытие нейтрона было поворотным пунктом в исследовании ядерных реакций. Так как нейтроны лишены заряда, то они беспрепятственно проникают в атомные ядра и вызывают их изменения.

Например, наблюдается следующая реакция:

Энрико Ферми первым начал изучать реакции, вызываемые нейтронами. Он обнаружил, что ядерные превращения вызываются не только быстрыми, но и нейтронами.

Реакции, в которые вступают атомные ядра, очень разнообразны. Нейтроны не отталкиваются ядрами и поэтому особенно эффективно вызывают медленными превращения ядер.

Термоядерными реакциями называют изменения атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами или друг с другом.

3. Экспериментальное задание: «Измерение ускорения свободного падения с помощью математического маят­ника».