Необратимость процессов физика. Доклад необратимость процессов в природе
- 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.
Нагретые тела сами собой остывают, передавая свою энергию более холодным окружающим телам. Обратный процесс передачи теплоты от холодного тела к горячему не противоречит закону сохранения энергии, но на самом деле не происходит.
Другой пример. Колебания маятника, выведенного из положения равновесия, затухают (рис. 5.11; 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 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.
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 процессы в природе протекают только в одном определенном направлении. В обратном направлении самопроизвольно они протекать не могут. Все процессы в природе необратимы, и самые трагические из них - старение и смерть организмов.
Уточним понятие необратимого процесса. Необратимым процессом может быть назван такой процесс, обратный которому может протекать только как одно из звеньев более сложного процесса . Так, в примере с маятником можно вновь увеличить амплитуду колебаний маятника, подтолкнув его рукой. Но это увеличение амплитуды возникает не само собой, а становится возможным в результате более сложного процесса, включающего толчок рукой. Можно в принципе перевести теплоту от холодного тела к горячему, но для этого нужна холодильная установка, потребляющая энергию, и т. д.
Математически необратимость механических процессов выражается в том, что уравнения движения макроскопических тел изменяются с изменением знака времени. Они, как говорят, не инвариантны при преобразовании t -> -t. Ускорение не меняет знака при t -> -t. Силы, зависящие от расстояний, также не меняют знака. Знак при замене t на -t меняется у скорости. Именно поэтому при совершении работы силами трения, зависящими от скорости, кинетическая энергия тела необратимо переходит во внутреннюю.
Хорошей иллюстрацией необратимости явлений в природе служит просмотр кинофильма в обратном направлении. Например, падение хрустальной вазы со стола будет выглядеть следующим образом. Лежащие на полу осколки вазы устремляются друг к другу и, соединяясь, образуют целую вазу. Затем ваза возносится вверх и вот уже спокойно стоит на столе. 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 допускаем возможности их обратного течения. А ведь такой процесс, как восстановление вазы из осколков, не противоречит ни закону сохранения энергии, ни законам механики, ни вообще каким-либо законам, кроме второго закона термодинамики, который мы сформулируем в следующем параграфе.
Процессы в природе необратимы. Наиболее типичными необратимыми процессами являются:
- переход теплоты от горячего тела к холодному;
- переход механической энергии во внутреннюю.
В законе сохранения энергии говорится, что энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает бесследно, количество энергии неизменно, и она только переходит из одной формы в другую. При этом некоторые процессы, не противоречащие закону сохранения энергии, никогда не протекают в природе.
Предметы, имеющие более высокую температуру, остывают и при этом отдают свою энергию более холодным окружающим телам. Но никогда в природе не случается обратный процесс: самопроизвольная передача тепла от холодного тела более теплому, хотя это и не противоречит закону сохранения энергии. Например, чайник с кипящей водой поставили на стол. Постепенно остывая, чайник отдает часть своей внутренней энергии воздуху в комнате. В результате воздух нагревается. Этот процесс будет продолжаться только до тех пор, пока температуры чайника и воздуха в комнате не сравняются. После этого изменения температур происходить не будут.
Другой пример. Колебания качелей, выведенных из положения равновесия, затухают, если их не раскачивать. Механическая энергия качелей уменьшается за счет отрицательной работы силы сопротивления воздуха, а внутренняя энергия качелей и окружающей среды увеличивается. Уменьшение механической энергии равно увеличению внутренней. Закон сохранения энергии не исключает обратного процесса: перехода внутренней энергии воздуха и качелей в механическую энергию качелей. Тогда амплитуда колебаний качелей увеличивалась бы за счет уменьшения температуры окружающей среды и самих качелей. Но такой процесс никогда не происходит. Внутренняя энергия никогда не переходит во внутреннюю. Энергия упорядоченного движения тела как целого всегда превращается в энергию неупорядоченного теплового движения слагающих его молекул, но не наоборот.
Под действием внешних сил, камень может со временем рассыпаться в песок, но никогда песок без внешних воздействий не «соберется» в камень.
Переход энергии от горячего тела к холодному, превращение механической энергии во внутреннюю, разрушение тел со временем - это примеры необратимых процессов. Необратимыми называются такие процессы, которые без внешних воздействий протекают только в одном определенном направлении; в обратном же направлении они могут протекать только лишь как одно из звеньев более сложного процесса. Можно вновь увеличить температуру остывшего чайника и воды в нем, но не за счет внутренней энергии воздуха, а передавая ему энергию от внешних тел, например, от конфорки электрической плиты. Можно вновь увеличить амплитуду колебаний качелей, подтолкнув их руками. Можно расплавить песок и, застыв, он превратиться в камень. Но все эти изменения могут произойти не самопроизвольно, а стать возможными в результате дополнительного процесса, включающего воздействие внешней силы.
Можно привести множество таких примеров. Все они говорят о том, что первый закон термодинамики не учитывает определенную направленность процессов в природе. Все макроскопические процессы в природе протекают только в одном определенном направлении. В обратном направлении сами по себе они протекать не могут. Все процессы в природе необратимы, и самые трагические из них - старение и смерть организмов.
Понятие необратимости процессов составляет содержание второго закона термодинамики, который указывает направление энергетических превращений в природе. Этот закон был установлен путем непосредственного обобщения опытных фактов. Он имеет несколько эквивалентных формулировок, которые, несмотря на внешнее различие, выражают, в сущности, одно и то же. Немецкий ученый Рудольф Клаузиус в 1850 году сформулировал второй закон термодинамики следующим образом: невозможно перевести тепло от более холодной системы к более горячей при отсутствии других одновременных изменений в обеих системах или в окружающих телах.
Независимо от Клазиуса в 1851 году к такому же выводу пришел британский физик Уи́льям То́мсон, (лорд Ке́львин): «Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара».
Из приведенных формулировок следует, что, если процесс передачи энергии от холодного тела к горячему осуществляется, то при этом происходят определенные изменения в окружающих телах. В частности, такой процесс происходит в холодильной установке: энергия передается от холодильной камеры среде, имеющей более высокую температуру, но этот процесс осуществляется при совершении работы над рабочим телом, и при этом происходят определенные изменения в окружающей среде.
Важность этого закона в первую очередь заключается в том, что необратимость можно распространить с процесса теплопередачи на любые процессы, происходящие в природе. Если бы тепло в каких-либо случаях могло самопроизвольно передаваться от холодных тел к горячим, то это позволило бы сделать обратимыми и другие процессы.
Все процессы самопроизвольно протекают в одном определенном направлении. Они необратимы. Тепло в любом случае переходит от горячего тела к холодному, а механическая энергия макроскопических тел переходит во внутреннюю энергию их молекул.
Направление процессов в природе определяется с помощью второго закона термодинамики.
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.
При соприкосновении тел процесс теплопередачи происходит самопроизвольно от горячего тела к холодному до тех пор, пока оба тела не будут иметь одинаковые температуры. Например, чашка с горячим чаем. Все макроскопические процессы в природе протекают только в одном определенном направлении. В обратном направлении они самопроизвольно протекать не могут. Необратимый процесс – это любой процесс, сопровождающийся трением, т.к. при трении часть механической энергии превращается в теплоту. Любой реальный процесс – необратим. (Старение; прыжки с трамплина и т.д.).
Обратимый процесс – это процесс, при котором система, переходя из состояния 2 в состояние 1, проходит те же промежуточные точки, что и при переходе из состояния 1 в состояние 2. Этот процесс допускает возможность возвращения системы в первоначальное состояние без каких-либо изменений в окружающей среде. (Шарик в вакууме падает на абсолютно упругую плиту; колебания маятника в вакууме)
Понятие о втором начале термодинамике.
Второй закон термодинамики (формулировка Клаузиуса) : теплообмен протекает в направлении от более горячих тел к более холодным.
Математическая запись второго закона термодинамики.
Тепловые двигатели.
Тепловыми двигателями называют двигатели, которые превращают внутреннюю энергию топлива в механическую работу. Для того чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя. Разность давлений достигается за счет повышения температуры рабочего тела (газа) на сотни или тысячи градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива.
Принцип действия тепловой машины. Любая тепловая машина должна иметь нагреватель, рабочее тело и охладитель (холодильник). Нагреватель сообщает рабочему телу (газу) некоторое количество теплоты Q 1 , что приводит к увеличению его внутренней энергии. Рабочее тело совершает работу за счет запаса внутренней энергии. Рабочим телом у всех тепловых машин является газ, который образуется при сгорании топлива в цилиндре двигателя и при расширении совершает работу. В двигателе газ при расширении не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Часть теплоты Q 2 передается холодильнику (атмосфере) вместе с отработанным паром или выхлопными газами двигателей. Эта часть внутренней энергии теряется.
Рабочее тело двигателя получает при сгорании топлива количество теплоты Q 1 , совершает работу и передает холодильнику количество теплоты Q 2 Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя
называют отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя: КПД любой машины <1 Цикл Карно.
Законы термодинамики позволяют вычислить максимально возможный КПД теплового двигателя, работающего с нагревателем, имеющим температуру Т 1 , и холодильником с температурой Т 2 . Впервые это сделал французский физикСади Карно в 1824г. Он придумал (теоретически) идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Карно получил для КПД этой машины формулу: Главное значение этой формулы состоит в том, что любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т 1 , и холодильником с температурой Т 2 , не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины. Эта формула дает теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Действительное же значение КПД из – за различных энергетических потерь приблизительно равно 40%. Максимальный КПД – около 44% имеют двигатели Дизеля.
, где Т 1 – температура нагревателя; Т 2 – температура холодильника;
