Sve mehaničke pojave bez trenja
imaju sljedeće izvanredno svojstvo.
Šta god da je mehaničko kretanje tijela,
uvijek je moguće obrnuto kretanje, u kojem
telo prolazi kroz iste tačke u prostoru sa onima
iste brzine kao kod kretanja naprijed, ali
samo u suprotnom smeru. Ovo reverzibilnost
mehaničke pojave se mogu raditi drugačije

formulisati kao njihovu simetriju u odnosu na zamenu budućnosti prošlošću, odnosno u odnosu na promenu predznaka vremena. Ova simetrija proizilazi iz samih jednačina kretanja.

Sasvim drugačija situacija se dešava u oblasti toplotnih pojava. Ako dođe do bilo kakvog termičkog procesa, onda se obrnut proces, tj. proces u kojem se prolaze ista stanja, ali samo obrnutim redoslijedom, po pravilu je nemoguć. Drugim riječima, termičke procese su, uopšteno govoreći, procesi nepovratan.

Primjeri tipično ireverzibilnih procesa uključuju prijenos energije pri kontaktu dva tijela s različitim temperaturama ili proces širenja plina u svemir. Obrnuti procesi se nikada ne dešavaju.

Uopšteno govoreći, svaki sistem tela prepušten sam sebi teži da ode u stanje toplotne ravnoteže, u kojem tela miruju jedno u odnosu na drugo, imajući iste temperature i pritisci. Postigavši ​​ovo

stanje, sistem ga sam više ne napušta. Drugim riječima, sve termalne pojave, praćeni procesima koji se približavaju termalnoj ravnoteži, su nepovratni.

Primjer procesa u visok stepen
reverzibilna je adijabatska ekspanzija
ili kompresiju gasa ako su ispunjeni uslovi
adijabatičnost. Izotermni proces takođe
je reverzibilan ako se provodi
prilično polako. "Sporost" je
uopšte karakteristična karakteristika reverzibilan
procesi: proces bi trebao biti takav
sporo, tako da se čini da tijela koja u tome učestvuju
uspeo da bude u svakom trenutku vremena
odgovarajuće stanje ravnoteže

postojećih spoljnih uslova u tom trenutku. Takvi procesi se nazivaju kvazistatički.

Već smo spomenuli da u sistemu tijela koja su u toplotnoj ravnoteži, nijedan proces ne može nastati bez vanjske intervencije. Ova okolnost ima još jedan aspekt: nemoguće je izvršiti bilo kakav rad uz pomoć tijela u toplotnoj ravnoteži.

Ova izuzetno važna tvrdnja o nemogućnosti dobijanja rada iz energije tela u toplotnoj ravnoteži naziva se drugi zakon termodinamike. Stalno smo okruženi značajnim rezervama toplotne energije (na primjer, svjetski okeani). Motor radi samo na energiju okruženje, bio bi praktično „perpetum motor“. Drugi zakon termodinamike isključuje mogućnost konstruisanja, kako kažu, perpetualni motor druge vrste, kao što prvi zakon termodinamike (zakon održanja energije) isključuje mogućnost konstruisanja perpetualni motor prve vrste, koja bi radila „ni iz čega“, bez spoljašnjeg izvora energije.

3. Pretvaranje toplote u mehanički rad

Pređimo sada na problem koji je, zapravo, poslužio u svoje vrijeme ( početkom XIX vek) razlog nastanka termodinamike kao nauke - problem pretvaranja toplote u mehanički rad, odnosno problem toplotni motor. Pronalazak metoda za dobijanje mehaničkog rada iz toplote bio je početak nova era u istoriji civilizacije.

Činjenica je da se mehanički rad uvijek može u potpunosti pretvoriti u toplotnu energiju(zbog, na primjer, trenja), potpuna konverzija toplinske energije u mehaničku energiju, kako se ispostavilo, nije moguća.

Bilo koja toplotna mašina koja pretvara toplotu u rad (parne mašine, motori sa unutrašnjim sagorevanjem itd.) radi ciklički, odnosno u njoj se periodično ponavljaju procesi prenosa toplote i pretvaranja iste u rad.

Da biste to učinili, potrebno je da tijelo obavlja posao (radna tečnost), nakon dobijanja toplote

završetka rada, vraćen u prvobitno stanje kako bi ponovo započeo isti proces.

Ali znamo da da bi ukupan rad tijela tokom ciklusa A bio pozitivan, ono se mora vratiti u prvobitno stanje do P-V dijagram duž donje krivine (vidi sliku 12.2). Međutim, donja kriva na

P-V dijagram odgovara više niske temperature, dakle, radni fluid se mora ohladiti prije kompresije.

Shodno tome, za ciklični rad toplotnog motora potrebno je imati još jedno, treće, tijelo koje se naziva frižider i nalazi se na temperaturi T 2, nižoj od temperature grijača, što je u skladu s drugim zakonom termodinamike. Iz drugog zakona termodinamike proizilazi da rad mogu obavljati samo tijela koja nisu u toplinskoj ravnoteži (grijač i hladnjak). Frižider oduzima određenu količinu toplote radnom fluidu |Q 2 | (toplota Q 2

negativan, jer tijelo odaje toplinu) i hladi je. U pravim toplotnim motorima, okolina služi kao frižider.

Ukupan mehanički rad koji radni fluid obavlja u jednom ciklusu

i jednaka je, kao što znamo, površini ciklusne petlje na P-V dijagramu (slika 12.2).

Faktor efikasnosti(efikasnost) toplotnog motora n naziva se omjer

27.02.2014 8443 0

Cilj: pokazuju nepovratnost procesa u prirodi.Podsticati učenike na prevazilaženje poteškoća u procesu mentalne aktivnosti, gajiti interesovanje za fiziku.

Tokom nastave

I. Organiziranje vremena

II. Pregledajte pitanja

1. Kako odrediti promjenu unutrašnje energije sistema prema prvom zakonu termodinamike?

2. Na šta se troši, prema I zakon termodinamike, količina toplote koja se dovodi u sistem?

3. Koji se proces naziva adijabatskim?

4. Navedite I zakon termodinamike za adijabatski proces.

5. Zbog koje energije se vrši rad pri adijabatskom širenju gasa?

6. Zašto temperatura gasa opada tokom adijabatskog širenja i raste tokom kompresije?

III. Učenje novog gradiva

Mnogo prije otkrića zakona održanja energije, Francuska akademija nauka odlučila je 1775. da ne razmatra projekte za trajne motore prve vrste. Slične odluke kasnije su donijele i vodeće naučne institucije u drugim zemljama.

Pod perpetualnim motorom prve vrste podrazumijeva se uređaj koji može obavljati neograničen broj radova bez utroška goriva ili drugih materijala, odnosno bez utroška energije. Nastalo je mnogo takvih projekata. Ali svi oni nisu djelovali vječno, što je dovelo do mišljenja da nije riječ o nesavršenosti individualni dizajni, ali u opštem obrascu.

Prema I zakon termodinamike, ako Q = 0, onda se rad može obaviti zbog smanjenja unutrašnje energije. Ako je zaliha energije iscrpljena, motor prestaje raditi. Ako je sistem izolovan i nikakav rad nije obavljen, unutrašnja energija ostaje nepromenjena.

Zakon održanja energije kaže da unutrašnja energija ostaje nepromijenjena tokom bilo koje svoje transformacije, ali ne govori ništa o tome koje su transformacije moguće. U međuvremenu, mnogi procesi koji su potpuno prihvatljivi sa stanovišta zakona očuvanja ne dešavaju se u stvarnosti.

Toplije tijelo se hladi samo od sebe, prenoseći svoju energiju na hladnija tijela. Obrnuti proces prelaska sa hladnijeg tela na toplije nije u suprotnosti sa zakonom očuvanja, ali se ne dešava. Može se navesti mnogo takvih primjera. Ovo sugerira da procesi u prirodi imaju određeni smjer, a ne kao što se odražava u prvom zakonu termodinamike. Svi procesi u prirodi su nepovratni (starenje organizama).

Možete povećati amplitudu klatna guranjem, ali to se neće dogoditi samo od sebe, već je rezultat više složen proces, koji uključuje ručni guranje. Drugi zakon termodinamike ukazuje na smjer mogućih energetskih transformacija i time izražava nepovratnost procesa u prirodi, utvrđeno je uopštavanjem iskustva.

Njemački naučnik R. Clausius je to formulirao na ovaj način:

Nemoguće je prenijeti toplinu sa hladnijeg sistema na topliji u nedostatku istovremenih promjena u oba sistema ili okolnim tijelima

Engleski naučnik W. Kelvin to je formulirao na ovaj način:

Nemoguće je periodično provoditi takav proces, čiji bi jedini rezultat bio proizvodnja rada zbog topline uzete iz jednog izvora.

Drugim rečima, nijedan toplotni motor ne može imati efikasnost jednaku jedinici.

Kelvinova formulacija drugog zakona dozvoljava da se ovaj zakon izrazi kao izjava. Nije moguće izgraditi vječni motor druge vrste, odnosno stvoriti motor koji obavlja rad hlađenjem bilo kojeg tijela.

Perpetualni motor druge vrste ne krši zakon održanja energije, ali da je to moguće, imali bismo gotovo neograničen izvor rada, crpeći ga iz okeana i hladeći ih. Međutim, hlađenje okeana, kada samo njegova temperatura postane niža od temperature okoline, značilo bi prijenos topline sa hladnijeg tijela na toplije, ali takav proces se ne može odvijati.

Drugi zakon termodinamike ukazuje na pravac procesa u prirodi.

IV. Konsolidacija naučenog

1. Koji se procesi smatraju nepovratnim?

2. Formulirajte drugi zakon termodinamike.

3. Kako je formulacija drugog zakona termodinamike povezana sa ireverzibilnošću toplotnih procesa?

4. Koja je statistička interpretacija drugog zakona termodinamike?

Zadaća

Prema ovom zakonu, energija se ne može stvarati ili uništavati; prenosi se iz jednog sistema u drugi i transformiše iz jednog oblika u drugi. Procesi koji krše prvi zakon termodinamike nikada nisu uočeni. Na sl. 1.5.14 prikazuje uređaje zabranjene prvim zakonom termodinamike.

Prvi zakon termodinamike ne utvrđuje smjer toplinskih procesa. Međutim, kako iskustvo pokazuje, mnogi termalni procesi mogu se odvijati samo u jednom smjeru. Takvi procesi se nazivaju nepovratan. Na primjer, prilikom termičkog kontakta dva tijela sa različitim temperaturama, tok topline je uvijek usmjeren od toplijeg tijela ka hladnijem. Nikada ne postoji spontani proces prenosa toplote sa tela sa niskom temperaturom na telo sa višom temperaturom. visoke temperature. Posljedično, proces prijenosa topline pri konačnoj temperaturnoj razlici je nepovratan.

Reverzibilno procesi su procesi prelaska sistema iz jednog ravnotežnog stanja u drugo, koji se mogu odvijati u suprotnom smjeru kroz isti niz međuravnotežnih stanja. U tom slučaju se sam sistem i okolna tijela vraćaju u prvobitno stanje.

Zovu se procesi tokom kojih sistem ostaje u stanju ravnoteže cijelo vrijeme kvazistatički. Svi kvazistatički procesi su reverzibilni. Svi reverzibilni procesi su kvazistatički.

Ako se radni fluid toplotnog motora dovede u kontakt sa termičkim rezervoarom, čija temperatura ostaje nepromenjena tokom procesa razmene toplote, tada će jedini reverzibilni proces biti izotermni kvazistatički proces koji se javlja pri beskonačno maloj razlici u temperature radnog fluida i rezervoara. Ako postoje dva termalna rezervoara sa različitim temperaturama, procesi se mogu izvoditi na reverzibilan način u dva izotermna dijela. Budući da se adijabatski proces može izvoditi i u oba smjera (adijabatska kompresija i adijabatska ekspanzija), kružni proces koji se sastoji od dvije izoterme i dvije adijabate ( Carnot ciklus) je jedini reverzibilni kružni proces u kojem se radni fluid dovodi u termički kontakt sa samo dva termalna rezervoara. Svi ostali kružni procesi koji se izvode sa dva rezervoara toplote su nepovratni.

Procesi pretvaranja mehaničkog rada u unutrašnja energija tijela zbog prisustva trenja, procesi difuzije u plinovima i tekućinama, procesi miješanja plina u prisustvu početne razlike tlaka, itd. Svi stvarni procesi su nepovratni, ali se mogu približiti reverzibilnim procesima koliko god se želi. Reverzibilni procesi su idealizacije stvarnih procesa.

Prvi zakon termodinamike ne može razlikovati reverzibilne procese od ireverzibilnih. To jednostavno zahtijeva određeno energetski bilans i ne govori ništa o tome da li je takav proces moguć ili ne. Smjer spontano nastalih procesa je utvrđen drugim zakonom termodinamike. Može se formulisati u obliku zabrane određenih vrsta termodinamičkih procesa.

Engleski fizičar W. Kelvin dao je sljedeću formulaciju drugog zakona 1851. godine:

U cikličnom pogonu toplinske mašine nemoguć je proces čiji bi jedini rezultat bio pretvaranje u mehanički rad cjelokupne količine topline primljene iz jednog toplinskog rezervoara.

Hipotetički toplotni stroj u kojem bi se takav proces mogao dogoditi naziva se "perpetual motor druge vrste". U kopnenim uslovima, takva mašina bi mogla uzeti toplotnu energiju, na primer, iz Svetskog okeana i potpuno je pretvoriti u rad. Masa vode u Svjetskom okeanu je otprilike 10 21 kg, a kada bi se ohladila za jedan stepen, oslobodila bi se velika količina energije (≈10 24 J), što je ekvivalentno potpunom sagorevanju 10 17 kg uglja. Energija koja se godišnje proizvede na Zemlji je otprilike 10 4 puta manja. Prema tome, „vječni motor druge vrste“ ne bi bio ništa manje privlačan za čovječanstvo od „vječnog motora prve vrste“, koji je zabranjen prvim zakonom termodinamike.

Njemački fizičar R. Clausius dao je drugačiju formulaciju