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».

Тема урока: Необратимость процессов в природе. Понятие о втором начале термодинамики.

Цель урока:

1)Показать необратимость процессов в природе, сформировать представление о втором начале термодинамики;

2) Развивать представление о целостной структуре окружающего мира;

3) Воспитывать умение работать самостоятельно.

Ход урока:

Актуализация опорных знаний учащихся:

Тестовые задания для повторения(фронтальный опрос)

1. Внутренняя энергия идеального газа зависит:

А) от массы газа и давления. В) от давления газа С) от массы газа. D) от объема газа. E) от температуры газа.

2. Формула для расчета внутренней энергии идеального одноатомного газа

А) . В) С)
. D)
. E) .

3. При протекании изотермического процесса величиной, равной нулю, является

А) А´. В) А. С) ΔU. D) Q. E) PV.

4. При постоянном давлении 10 5 Па газ совершил работу 10 4 Дж. Объем газа при этом

А) увеличился на 1 м 3 . В) увеличился на 10 м 3 . С) увеличился на 0,1 м 3 . D) уменьшился на 0,1 м 3 .

E) уменьшился на 10 м 3 .

5. При протекании изохорного процесса величиной, равной нулю, является

А) ΔU. В) PV. С) А. D) Q. E) U.

6. При постоянном давлении р объем газа увеличился на Δ V . Величина, равная произведению р ·Δ V в этом случае называется:

А) работа, совершенная над газом внешними силами. В) внутренняя энергия газа.

С) количество теплоты, полученное газом. D) работа, совершенная газом. E) количество теплоты, отданное газом.

7. Работа при адиабатном расширении идеального газа совершается за счет

А) уменьшения внутренней энергии газа. В) полученного количества теплоты.

С) изменения давления. D) отданного количества теплоты. E) увеличения внутренней энергии газа.

8. При протекании адиабатного процесса величиной, равной нулю, является

А) А". В) Q. С) А. D) U. E) ΔU.

9. При изотермическом расширении идеальному газу сообщили 10 Дж тепла. Работа газа равна

А) 2,5 Дж. В) 10 Дж. С) 7,5 Дж. D) -10 Дж. E) 5 Дж.

10. При передаче газу количества теплоты 2 · 10 4 Дж он совершил работу, равную 5 · 10 4 Дж. Тогда изменение внутренней энергии

А) 5 · 10 4 Дж. В) - 3 · 10 4 Дж. С) 7 · 10 4 Дж. D) -2 · 10 4 Дж. E) 3 · 10 4 Дж.

11. Если изменение внутренней энергии составило 20 кДж, а работа, совершенная газом против внешних сил, равна 12 кДж, то газу было передано количество теплоты

А) 20 кДж. В) 10 кДж. С) 6 кДж. D) 12 кДж. E) 32 кДж.

12. При изотермическом процессе газу передано количество теплоты 2 · 10 8 Дж. Изменение внутренней энергии газа равно

А) 6 · 10 8 Дж. В) 10 8 Дж. С) 0. D) 4 · 10 8 Дж. E) 2 · 10 8 Дж.

13. Формула первого закона термодинамики для изотермического процесса (А – работа газа, А´ - работа внешних сил)

А) Q = А. В) ΔU = Q. С) ΔU = А" + Q. D) ΔU = А + А". E) ΔU = А´.

14. Процесс, в котором газ не совершает работу

А) изобарный. В) изотермический. С) адиабатный. D) изохорный. E) кипение.

15. Первый закон термодинамики был открыт на основе

А) второго закона Ньютона. В) первого закона Ньютона. С) закона сохранения энергии.

D) закона сохранения импульса. E) закона взаимосвязи массы и энергии.

Ответы: 1.Е 2А 3С 4С 5 С 6Д 7А 8В 9В 10В 11Е 12С 13А 14д 15с

II . 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).

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, как 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.

III . Решение задач:

1 задача . Найти изменение внутренней энергии горячей воды емкостью 2 м3 при температуре 90 0 С при её охлаждении до комнатной температуры(24 0 С). С=4,19 кДж/кг*К, ρ=1000кг/м 3

∆U = Q , Q = c · m · ( t 2 - t 1 ), m = ρ· V

2 задача. Найти изменение внутренней энергии воды при её нагревании в электрическом чайнике до кипения.

∆U= А, А = Р·t Р=1,01*10 5 Па ·t=100 0 С

3 задача Газ находится в сосуде под давлением 2,5·10 4 Па. При сообщении ему количества теплоты 6·10 4 Дж он изобарно расширяется на 2м 3 . На сколько изменилась внутренняя энергия? Как изменилась его температура?

(Ответ: ∆U= ∆U– А = Q- р·∆V= 10 4 Дж; ∆T> 0, т.к. ∆U> 0)

IV .Закрепление (карточки с тестом на 2 варианта):

Тест

1 вариант

Какое соотношение справедливо для изобарного процесса в газе?

А) ∆U= А Б) ∆U= - А В) ∆U= р·А Г) А = р·∆V

2. Как изменяется внутренняя энергия газа при его изотермическом расширении?

А) Увеличивается. Б) Уменьшается. В) Изменение внутренней энергии равно нулю. Г) Изменение внутренней энергии может принимать любые значения.

3. В каком тепловом процессе изменение состояния системы происходит без теплообмена?

А) Изобарном. Б) Изохорном. В) Изотермическом. Г) Адиабатном.

4. В процессе адиабатного расширения газ совершает работу, равную 3·10 10 Дж. Чему равно изменение внутренней энергии газа?

А) ∆U= 3·10 10 Дж. Б) ∆U= - 3·10 10 Дж. В) ∆U= 0. Г) ∆U может принимать любое значение.

5. Если в некотором процессе подведённая к газу теплота равна работе, совершённой газом, то такой процесс является:

А) Изобарным. Б) Адиабатным. В) Изотермическим. Г) Изохорным.

6. При передаче газу количества теплоты 300 Дж его внутренняя энергия уменьшилась на 100 Дж. Какую работу совершил газ?

А) 100 Дж. Б) 400 Дж. В) 200 Дж. Г) - 100 Дж.

2 вариант

Какая из приведённых ниже формул является математическим выражением первогозакона термодинамики?

А) ∆U= А+Q Б) η = А/Q 1 В) U= (3/2)·(m/µ)·R·T Г) А = р·∆V

2. Внутренняя энергия газа при его изотермическом сжатии:

А) ∆U может принимать любое значение. Б) ∆U= 0 В) ∆U> 0 Г) ∆U< 0

3. В каком тепловом процессе внутренняя энергия системы не изменяется при переходе её из одного состояния в другое?

А) В изобарном. Б) В изохорном. В) В изотермическом. Г) В адиабатном

4. В процессе изохорного нагревания газ получил 15 МДж теплоты. Чему равно изменение внутренней энергии газа?

А) ∆U= 0 Б) ∆U= - 15 МДж В) ∆U= 15 МДж Г) ∆U= 1 Дж

5. Если в некотором процессе подведённая к газу теплота равна изменению его внутренней энергии, т.е. Q= ∆U, то такой процесс является:

А) Адиабатным. Б) Изотермическим. В) Изохорным. Г) Изобарным.

6. При передаче газу 20 кДж теплоты он совершил работу, равную 53 кДж. Как изменилась внутренняя энергия газа?

А) Увеличилась на 73 кДж. Б) Уменьшилась на 73 кДж. В) Увеличилась на 33 кДж. Г) Уменьшилась на 33 кДж.

Самопроверка теста

1 вариант

2 вариант

. V. Домашнее задание:

задача в тетради (Какое количество теплоты было подведено к гелию, если работа, совершаемая газом при изобарном расширении, составляет 2кДж?Чему равно изменение внутренней энергии гелия?),

Закон сохранения энергии утверждает, что количество энергии при любых процессах остается неизменным. Но он ничего не говорит о том, какие энергетические превращения возможны.

З-н сохранения энергии не запрещает , процессы, которые на опыте не происходят:

Нагревание более нагретого тела более холодным;

Самопроизвольное раскачивание маятника из состояния покоя;

Собирание песка в камень и т.д.

Процессы в природе имеют определенную направленность. В обратном направлении самопроизвольно они протекать не могут. Все процессы в природе необратимы (старение и смерть организмов).

Необратимым процессом может быть назван такой процесс, обратный которому может протекать только как одно из звеньев более сложного процесса. Самопроизвольными называются такие процессы, которые происходят без воздействия внешних тел, а значит, без изменений в этих телах).

Процессы перехода системы из одного состояния в другое, которые можно провести в обратном направлении через ту же последовательность промежуточных равновесных состояний, называются обратимыми . При этом сама система и окружающие тела полностью возвращаются к исходному состоянию.

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

Формулировка Р. Клаузиуса: невозможно перевести тепло от более холодной системы к более горячей при отсутствии одновременных изменений в обеих системах или окружающих телах.

Формулировка У. Кельвина : невозможно осуществить такой периодический процесс, единственным результатом которого было бы получение работы за счет теплоты, взятой от одного источника.

Невозможнен тепловой вечный двигатель второго рода, т.е. двигатель, совершающий механическую работу за счет охлаждения какого-либо одного тела.

Объяснение необратимости процессов в природе имеет статистическое (вероятностное) истолкование.

Чисто механические процессы (без учета трения) обратимы, т.е. инвариантны (не изменяются) при замене t→ -t. Уравнения движения каждой отдельно взятой молекулы также инвариантны относительно преобразования времени, т.к. содержат только силы, зависящие от расстояния. Значит причина необратимости процессов в природе в том, что макроскопические тела содержат очень большое количество частиц.

Макроскопическое состояние характеризуется несколькими термодинамическими параметрами (давление, объем, температура и т.д.). Микроскопическое состояние характеризуется заданием координат и скоростей (импульсов) всех частиц, составляющих систему. Одно макроскопическое состояние может быть реализовано огромным числом микросостояний.

Обозначим: N- полное число состояний системы, N 1 - число микросостояний, которые реализуют данное состояние, w - вероятность данного состояния.

Чем больше N 1 , тем больше вероятность данного макросостояния, т.е. тем большее время система будет находиться в этом состоянии. Эволюция системы происходит в направлении от маловероятных состояний к более вероятным. Т.к. механическое движение - это упорядоченное движение, а тепловое - хаотическое, то механическая энергия переходит в тепловую. При теплообмене состояние, в котором одно тело имеет более высокую температуру (молекулы имеют более высокую среднюю кинетическую энергию), менее вероятно, чем состояние, в котором температуры равны. Поэтому процесс теплообмена происходит в сторону выравнивания температур.

Энтропия - мера беспорядка . S - энтропия.

где k - постоянная Больцмана. Это уравнение раскрывает статистический смысл законов термодинамики. Величина энтропии во всех необратимых процессах увеличивается. С этой точки зрения жизнь - это постоянная борьба за уменьшение энтропии. Энтропия связана с информацией, т.к. информация приводит к порядку (много будешь знать - скоро состаришься).

превращается в работу. Так работает тепловая машина.

Если круговой процесс на диаграмме P-V протекает против часовой стрелки, то тепловая энергия передается от холодильника (тела с меньшей температурой) к нагревателю (телу с большей температурой) за счет работы внешней силы. Так работает холодильная машина.

Цикл Карно - идеальный термодинамический цикл . Тепловая машина Карно , работающая по этому циклу, обладает максимальным КПД из всех машин, у которых максимальная и минимальная температуры осуществляемого цикла совпадают соответственно с максимальной и минимальной температурами цикла Карно. Состоит из 2 адиабатических и 2 изотермических процессов .

13.Обратимые и необратимые процессы. Необратимость механических, тепловых, электромагнитных процессов; особенность тепловой энергии. Термодинамическое определение энтропии. Второй закон термодинамики. Порядок и беспорядок и направление реальных процессов в природе.

Обратимые и необратимые процессы , пути изменения состояния термодинамической системы. Процесс называют обратимым, если он допускает возвращение рассматриваемой системы из конечного состояния в исходное через ту же последовательность промежуточных состояний, что и в прямом процессе, но проходимую в обратном порядке. При этом в исходное состояние возвращается не только система, но и среда. Обратимый процесс возможен, если и в системе, и в окружающей среде он протекает равновесно. При этом предполагается, что равновесие существует между отдельными частями рассматриваемой системы и на границе с окружающей средой. Обратимый процесс - идеализированный случай, достижимый лишь при бесконечно медленном изменении термодинамических параметров. Скорость установления равновесия должна быть больше, чем скорость рассматриваемого процесса. Если невозможно найти способ вернуть и систему, и тела в окружающей среде в исходное состояние, процесс изменения состояния системы называют необратимым.

Необратимые процессы могут протекать самопроизвольно только в одном направлении; таковы диффузия,теплопроводность, вязкое течение и другое.

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 тел

Изменение энтропии термодинамической системы при обратимом процессе как отношение общего количества тепла к величине абсолютной температуры (то есть тепло, переданное системе, при постоянной температуре):

Второе начало термодинамики - физический принцип, накладывающий ограничение на направление процессов передачи тепла между телами.

Второе начало термодинамики гласит, что невозможен самопроизвольный переход тепла от тела, менее нагретого, к телу, более нагретому.

Второе начало термодинамики запрещает так называемые вечные двигатели второго рода, показывая что коэффициент полезного действия не может равняться единице, поскольку для кругового процесса температура холодильника не может равняться абсолютному нулю.

14.Явления переноса в газах: диффузия, вязкость, теплопроводность. Уравнения явлений переноса. Молекулярнокинетическая теория явлений переноса в газах.

Распространение молекул примеси в газе от источника называется диффузией .

В состоянии равновесия температура Т и концентрация n во всех точках системы одинакова. При отклонении плотности от равновесного значения в некоторой части системы возникает движение компонент вещества в направлениях, приводящих к выравниванию концентрации по всему объему системы. Связанный с этим движением перенос вещества обусловлен диффузией . Диффузионный поток будет пропорционален градиенту концентрации:

Плотность потока массы, равная массе вещества, которое диффундирует за единицу времени через единицу площади в направлении оси ,

Средняя арифметическая скорость молекул,

Средняя длина свободного пробега молекул.

Если какое-либо тело движется в газе, то оно сталкивается с молекулами газа и сообщает им импульс. С другой стороны, тело тоже будет испытывать соударения со стороны молекул, и получать собственный импульс, но направленный в противоположную сторону. Газ ускоряется, тело тормозится, то есть на тело действуют силы трения. Такая же сила трения будет действовать и между двумя соседними слоями газа, движущимися с разными скоростями. Это явление носит название внутреннее трение или вязкость газа, причём сила трения пропорциональна градиенту скорости:

где - средняя скорость теплового движения молекул, − средняя длина свободного пробега.

Если в соседних слоях газа создана и поддерживается разность температур, то между ними будет происходить обмен тепла. Благодаря хаотическому движению, молекулы в соседних слоях будут перемешиваться и их средние энергии будут выравниваться. Происходит перенос энергии от более нагретых слоев к более холодным телам. Этот процесс называется теплопроводностью . Поток тепла пропорционален градиенту температуры.

Согласно этому закону, энергия не может быть сотворена либо уничтожена; она передается от одной системы к другой и преобразуется из одной формы в другую. Процессы, нарушающие 1-ый закон термодинамики, никогда не наблюдались. На рис. 3.12.1 изображены устройства, нелегальные первым законом термодинамики.

1-ый закон термодинамики не устанавливает направление термических процессов. Но, как указывает опыт, многие термические процессы могут протекать исключительно в одном направлении. Такие процессы именуются необратимыми . К примеру, при термическом контакте 2-ух тел с различными температурами термический поток всегда ориентирован от более теплого тела к более прохладному. Никогда не наблюдается самопроизвольный процесс передачи тепла от тела с низкой температурой к телу с более высочайшей температурой. Как следует, процесс термообмена при конечной разности температур является необратимым.

Обратимыми процессами именуют процессы перехода системы из 1-го сбалансированного состояния в другое, которые можно провести в оборотном направлении через ту же последовательность промежных сбалансированных состояний. При всем этом сама система и окружающие тела ворачиваются к начальному состоянию. Процессы, в процессе которых система всегда остается в состоянии равновесия, именуются квазистатическими .

Все квазистатические процессы обратимы. Все обратимые процессы являются квазистатическими. Если рабочее тело термический машины приводится в контакт с термическим резервуаром, температура которого в процессе термообмена остается постоянной, то единственным обратимым процессом будет изотермический квазистатический процесс, протекающий при нескончаемо малой разнице температур рабочего тела и резервуара. При наличии 2-ух термических резервуаров с различными температурами обратимым методом можно провести процессы на 2-ух изотермических участках. Так как адиабатический процесс также можно проводить в обоих направлениях (адиабатическое сжатие и адиабатическое расширение), то радиальный процесс, состоящий из 2-ух изотерм и 2-ух адиабат (цикл Карно ) является единственным обратимым радиальным процессом, при котором рабочее тело приводится в термический контакт только с 2-мя термическими резервуарами.

Все другие радиальные процессы, проводимые с 2-мя термическими резервуарами, необратимы. Необратимыми являются процессы перевоплощения механической работы во внутреннюю энергию тела из-за наличия трения, процессы диффузии в газах и жидкостях, процессы смешивания газа при наличии исходной 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. 1-ый закон термодинамики не может отличить обратимые процессы от необратимых. Он просто просит от термодинамического процесса определенного энергетического баланса и ничего не гласит о том, вероятен таковой процесс либо нет.

Направление самопроизвольно протекающих процессов устанавливает 2-ой закон термодинамики. Он может быть сформулирован в виде запрета на определенные виды термодинамических процессов. Британский физик У. Кельвин отдал в 1851 г. последующую формулировку второго закона: В циклически действующей термический машине неосуществим процесс, единственным результатом которого было бы преобразование в механическую работу всего количества теплоты, приобретенного от единственного термического резервуара . Гипотетичную термическую машину, в какой мог бы происходить таковой процесс, именуют «нескончаемым движком второго рода». В земных критериях такая машина могла бы отбирать термическую энергию, к примеру, у Мирового океана и стопроцентно превращать ее в работу.

Масса воды в Мировом океане составляет приблизительно 1021 кг, и при ее охлаждении на один градус выделилось бы неограниченное количество энергии (≈1024 Дж), эквивалентное полному сжиганию 1017 кг угля. Раз в год вырабатываемая на Земле энергия примерно в 104 раз меньше. Потому «нескончаемый движок второго рода» был бы для населения земли более привлекателен, чем «нескончаемый движок первого рода», нелегальный первым законом термодинамики. Германский физик Р. Клаузиус отдал другую формулировку второго закона термодинамики: Неосуществим процесс, единственным результатом которого была бы передача энергии методом термообмена от тела с низкой температурой к телу с более высочайшей температурой. На рис. 3.12.2 изображены процессы, запрещаемые вторым законом, но не запрещаемые первым законом термодинамики. Эти процессы соответствуют двум формулировкам второго закона термодинамики.

Необходимо подчеркнуть, что обе формулировки второго закона термодинамики эквивалентны . Если допустить, к примеру, что тепло может самопроизвольно (другими словами без издержки наружной работы) перебегать при термообмене от прохладного тела к жаркому, то можно сделать вывод о способности сотворения «нескончаемого мотора второго рода». Вправду, пусть настоящая термическая машина получает от нагревателя количество теплоты Q1 и дает холодильнику количество теплоты Q2. При всем этом совершается работа A = Q1 - |Q2|. Если б количество теплоты |Q2| самопроизвольно переходило от холодильника к нагревателю, то конечным результатом работы реальной термический машины и «безупречной холодильной машины» было бы перевоплощение в работу количества теплоты Q1 - |Q2|, приобретенного от нагревателя без какого-нибудь конфигурации в холодильнике.

Таким макаром, композиция реальной термический машины и «безупречной холодильной машины» равноценна «нескончаемому движку второго рода». Точно также можно показать, что композиция «реальной холодильной машины» и «нескончаемого мотора второго рода» равноценна «безупречной холодильной машине».

2-ой закон термодинамики связан конкретно с необратимостью реальных термических процессов. Энергия термического движения молекул отменно отличается от всех других видов энергии - механической, электронной, хим и т. д. Энергия хоть какого вида, не считая энергии термического движения молекул, может стопроцентно перевоплотиться в хоть какой другой вид энергии, в том числе и в энергию термического движения. Последняя может испытать перевоплощение в хоть какой другой вид энергии только отчасти. Потому хоть какой физический процесс, в каком происходит перевоплощение какого-нибудь вида энергии в энергию термического движения молекул, является необратимым процессом, другими словами он не может быть осуществлен стопроцентно в оборотном направлении. Общим свойством всех необратимых процессов будет то, что они протекают в термодинамически неравновесной системе и в итоге этих процессов замкнутая система приближается к состоянию термодинамического равновесия.

На основании хоть какой из формулировок второго закона термодинамики могут быть подтверждены последующие утверждения, которые именуются аксиомами Карно:

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

Таким макаром, коэффициент полезного деяния машины, работающей по циклу Карно, максимален.

В каком бы направлении ни обходился цикл Карно (по либо против часовой стрелки), величины Q1 и Q2 всегда имеют различные знаки. Потому можно записать

Это соотношение может быть обобщено на хоть какой замкнутый обратимый процесс, который можно представить как последовательность малых изотермических и адиабатических участков (рис. 3.12.3).

При полном обходе замкнутого обратимого цикла

где ΔQi = ΔQ1i + ΔQ2i - количество теплоты, приобретенное рабочим телом на 2-ух изотермических участках при температуре Ti. Для того, чтоб таковой непростой цикл провести обратимым методом, нужно рабочее тело приводить в термический контакт со многими термическими резервуарами с температурами Ti. Отношение ΔQi / Ti именуется приведенным теплом . Приобретенная формула указывает, что полное приведенное тепло на любом обратимом цикле равно нулю . Эта формула позволяет ввести новейшую физическую величину, которая именуется энтропией и обозначается буковкой S (Р. Клаузиус, 1865 г.). Если термодинамическая система перебегает из 1-го сбалансированного состояния в другое, то ее энтропия меняется. Разность значений энтропии в 2-ух состояниях равна приведенному теплу, приобретенному системой при обратимом переходе из 1-го состояния в другое.

В случае обратимого адиабатического процесса ΔQi = 0 и, как следует, энтропия S остается постоянной. Выражение для конфигурации энтропии ΔS при переходе неизолированной системы из 1-го сбалансированного состояния (1) в другое сбалансированное состояние (2) может быть записано в виде

Энтропия определена с точностью до неизменного слагаемого, так же, как, к примеру, возможная энергия тела в силовом поле. Физический смысл имеет разность ΔS энтропии в 2-ух состояниях системы. Чтоб найти изменение энтропии в случае необратимого перехода системы из 1-го состояния в другое, необходимо придумать какой-либо обратимый процесс, связывающий изначальное и конечное состояния, и отыскать приведенное тепло, приобретенное системой при таком переходе. Рис. 3.12.4 иллюстрирует необратимый процесс расширения газа «в пустоту» в отсутствие термообмена. Только изначальное и конечное состояния газа в этом процессе являются сбалансированными, и их можно изобразить на диаграмме (p, V). Точки (a) и (b), надлежащие этим состояниям, лежат на одной изотерме. Для вычисления конфигурации ΔS энтропии можно разглядеть обратимый изотермический переход из (a) в (b). Так как при изотермическом расширении газ получает некое количество теплоты от окружающих тел Q > 0, можно прийти к выводу, что при необратимом расширении газа энтропия возросла: ΔS > 0.

Другой пример необратимого процесса - термообмен при конечной разности температур. На рис. 3.12.5 изображены два тела, заключенные в адиабатическую оболочку. Исходные температуры тел T1 и T2 < T1. При термообмене температуры тел равномерно выравниваются. Более теплое тело дает некое количество теплоты, а более прохладное - получает. Приведенное тепло, получаемое прохладным телом, превосходит по модулю приведенное тепло, отдаваемое жарким телом. Отсюда следует, что изменение энтропии замкнутой системы в необратимом процессе термообмена ΔS > 0.

Рост энтропии является общим свойством всех самопроизвольно протекающих необратимых процессов в изолированных термодинамических системах. При обратимых процессах в изолированных системах энтропия не меняется:

ΔS ≥ 0.

Это соотношение принято именовать законом возрастания энтропии. При всех процессах, протекающих в термодинамических изолированных системах, энтропия или остается постоянной, или возрастает. Таким макаром, энтропия показывает направление самопроизвольно протекающих процессов. Рост энтропии показывает на приближение системы к состоянию термодинамического равновесия. В состоянии равновесия энтропия воспринимает наибольшее значение. Закон возрастания энтропии можно принять в качестве очередной формулировки второго закона термодинамики. В 1878 году Л. Больцман отдал вероятностную трактовку понятия энтропии. Он предложил рассматривать энтропию как меру статистического кавардака в замкнутой термодинамической системе. Все самопроизвольно протекающие процессы в замкнутой системе, приближающие систему к состоянию равновесия и сопровождающиеся ростом энтропии, ориентированы в сторону роста вероятности состояния. Всякое состояние макроскопической системы, содержащей огромное число частиц, может быть реализовано многими методами.

Термодинамическая возможность W состояния системы - это число методов , которыми может быть реализовано данное состояние макроскопической системы, либо число микросостояний , осуществляющих данное макросостояние. По определению термодинамическая возможность W >> 1. К примеру, если в сосуде находится 1 моль газа, то может быть большущее число N методов размещения молекулы по двум половинкам сосуда: где - число Авогадро . Любой из их является микросостоянием. Только одно из микросостояний соответствует случаю, когда все молекулы соберутся в одной половинке (к примеру, правой) сосуда. Возможность такового действия фактически равна нулю. Наибольшее число микросостояний соответствует сбалансированному состоянию, при котором молекулы умеренно распределены по всему объему. Потому сбалансированное состояние является более возможным. Сбалансированное состояние с другой стороны является состоянием большего кавардака в термодинамической системе и состоянием с наибольшей энтропией. Согласно Больцману, энтропия S системы и термодинамическая возможность W связаны меж собой последующим образом:

S = k ln W,

где k = 1,38·10-23 Дж/К - неизменная Больцмана . Таким макаром, энтропия определяется логарифмом числа микросостояний , при помощи которых может быть реализовано данное макросостояние. Как следует, энтропия может рассматриваться как мера вероятности состояния термодинамической системы. Вероятностная трактовка второго закона термодинамики допускает самопроизвольное отклонение системы от состояния термодинамического равновесия. Такие отличия именуются флуктуациями . В системах, содержащих огромное число частиц, значимые отличия от состояния равновесия имеют очень малую возможность.