Все механические явления без трения
отличаются следующим замечательным свойством.
Каково бы ни было механическое движение тела,
всегда возможно обратное движение, при котором
тело проходит те же точки пространства с теми
же скоростями, что и в прямом движении, но
только в обратном направлении. Эту обратимость
механических явлений можно иначе

сформулировать как их симметричность по отношению к замене будущего прошедшим, то есть по отношению к изменению знака времени. Эта симметричность вытекает из самих уравнений движения.

Совершенно иная ситуация имеет место в области тепловых явлений. Если происходит какой-либо тепловой процесс, то обратный процесс, т.е. процесс, при котором проходятся те же состояния, но только в обратном порядке, как правило, невозможен. Другими словами, тепловые процессы являются, вообще говоря, процессами необратимыми.

В качестве примеров типично необратимых процессов можно привести передачу энергии при контакте двух тел с разной температурой или процесс расширения газа в пустоту. Обратные процессы никогда не происходят.

Вообще всякая предоставленная самой себе система тел стремится перейти в состояние теплового равновесия, в котором тела покоятся друг относительно друга, обладая одинаковыми температурами и давлениями. Достигнув этого

состояния, система сама по себе из него уже не выходит. Другими словами, все тепловые явления, сопровождающиеся процессами приближения к тепловому равновесию, необратимы.

Примером процесса в высокой степени
обратимого является адиабатическое расширение
или сжатие газа, если выполнены условия
адиабатичности. Изотермический процесс тоже
является обратимым, если он осуществляется
достаточно медленно. "Медленность" является
вообще характерной особенностью обратимых
процессов: процесс должен быть настолько
медленным, чтобы участвующие в нем тела как бы
успевали в каждый момент времени оказаться в
состоянии равновесия, соответствующем

имеющимся в этот момент внешним условиям. Такие процессы называются квазистатическими.

Мы уже упоминали, что в системе тел, находящихся в тепловом равновесии, без внешнего вмешательства никаких процессов происходить не может. Это обстоятельство имеет и другой аспект: с помощью тел, находящихся в тепловом равновесии, невозможно произвести никакой работы .

Это чрезвычайно важное утверждение о невозможности получения работы за счет энергии тел, находящихся в тепловом равновесии, называется вторым началом термодинамики. Мы постоянно окружены значительными запасами тепловой энергии (например, мировой океан). Двигатель, работающий только за счет энергии окружающей среды, был бы практически "вечным двигателем". Второе начало термодинамики исключает возможность построения, как говорят, вечного двигателя второго рода, подобно тому, как первое начало термодинамики (закон сохранения энергии) исключает возможность построения вечного двигателя первого рода, который совершал бы работу "из ничего", без внешнего источника энергии.

3. Преобразование теплоты в механическую работу

Обратимся теперь к проблеме, послужившей, собственно, в свое время (начало XIX века) причиной возникновения термодинамики, как науки - проблеме превращения теплоты в механическую работу, или, проблеме теплового двигателя. Изобретение методов получения механической работы за счет теплоты явилось началом новой эпохи в истории цивилизации.

Дело в том, что механическую работу всегда можно полностью превратить в тепловую энергию (за счет, например, трения), полное же превращение тепловой энергии в механическую, как оказалось, невозможно.

Любая тепловая машина, преобразующая теплоту в работу (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и т.д.), действует циклически, то есть в ней процессы передачи тепла и превращения его в работу периодически повторяются.

Для этого нужно, чтобы тело, совершающее работу (рабочее тело), после получения теплоты

совершения работы, вернулось в исходное состояние, чтобы снова начать такой же процесс.

Но мы знаем, что для того, чтобы суммарная работа тела за цикл А оказалась положительной, оно должно вернуться в исходное состояние на диаграмме P-V по более низкой кривой (см. рис. 12.2). Однако более низкой кривой на

диаграмме P-V соответствует более низкая температура, поэтому перед сжатием рабочее тело должно быть охлаждено.

Следовательно, для циклической работы тепловой машины необходимо наличие еще одного, третьего, тела, которое называется холодильником и находится при температуре Т 2 , меньшей температуры нагревателя, что согласуется со вторым началом термодинамики. Из второго начала термодинамики вытекает, что работу можно совершить лишь за счет тел, не находящихся в тепловом равновесии (нагреватель и холодильник). Холодильник отбирает у рабочего тела некоторое количество тепла |Q 2 | (тепло Q 2

отрицательно, так как тело отдает тепло) и охлаждает его. В реальных тепловых машинах в качестве холодильника служит окружающая среда.

Полная механическая работа, совершенная рабочим телом за один цикл

и равна, как мы знаем, площади петли цикла на диаграмме P-V (рис. 12.2).

Коэффициентом полезного действия (к.п.д.) тепловой машины п называется отношение

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

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. На рис. 1.5.14 изображены устройства, запрещенные первым законом термодинамики.

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 обратимые процессы являются квазистатическими.

Если рабочее тело тепловой машины приводится в контакт с тепловым резервуаром, температура которого в процессе теплообмена остается неизменной, то единственным обратимым процессом будет изотермический квазистатический процесс, протекающий при бесконечно малой разнице температур рабочего тела и резервуара. При наличии двух тепловых резервуаров с разными температурами обратимым путем можно провести процессы на двух изотермических участках. Поскольку адиабатический процесс также можно проводить в обоих направлениях (адиабатическое сжатие и адиабатическое расширение), то круговой процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат (цикл Карно ) является единственным обратимым круговым процессом, при котором рабочее тело приводится в тепловой контакт только с двумя тепловыми резервуарами. 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. Он может быть сформулирован в виде запрета на определенные виды термодинамических процессов.

Английский физик У. Кельвин дал в 1851 г. следующую формулировку второго закона:

В циклически действующей тепловой машине невозможен процесс, единственным результатом которого было бы преобразование в механическую работу всего количества теплоты, полученного от единственного теплового резервуара .

Гипотетическую тепловую машину, в которой мог бы происходить такой процесс, называют «вечным двигателем второго рода». В земных условиях такая машина могла бы отбирать тепловую энергию, например, у Мирового океана и полностью превращать ее в работу. Масса воды в Мировом океане составляет примерно 10 21 кг, и при ее охлаждении на один градус выделилось бы огромное количество энергии (≈10 24 Дж), эквивалентное полному сжиганию 10 17 кг угля. Ежегодно вырабатываемая на Земле энергия приблизительно в 10 4 раз меньше. Поэтому «вечный двигатель второго рода» был бы для человечества не менее привлекателен, чем «вечный двигатель первого рода», запрещенный первым законом термодинамики.

Немецкий физик Р. Клаузиус дал другую формулировку