Необратимость процессов в природе

Урок 63. Необратимость процессов в природе. Второй закон термодинамики.

Цель: изучить сущность второго закона термодинамики. Обратимые и необратимые процессы.

Проверка домашнего задания (опрос по §80)

Повторение пройденного. Вспомнить формулировку первого начала термодинамики, все изопроцессы.

Новый материал.

 Закон сохранения энергии утверждает, что количество энергии при любых ее превращениях остается неизменным. 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, если количество теплоты, отданное холодным телом, равно количеству теплоты, полученному горячим, но такой процесс самопроизвольно никогда не происходит.
   Другой пример. Колебания маятника, выведенного из положения равновесия, затухают (рис.13.9; 1, 2, 3, 4 - последовательные положения маятника при максимальных отклонениях от положения равновесия). За счет работы сил трения механическая энергия маятника 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 наблюдается. Механическая энергия самопроизвольно переходит во внутреннюю, но не наоборот. При этом энергия упорядоченного движения тела как целого превращается в энергию неупорядоченного теплового движения слагающих его молекул.

   Общее заключение о необратимости процессов в природе. Переход тепла от горячего тела к холодному и механической энергии во внутреннюю - это примеры наиболее типичных необратимых процессов. Число подобных примеров можно увеличивать 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:необратимыми называются такие процессы, которые могут самопроизвольно протекать лишь в одном определенном направлении; в обратном направлении они могут протекать только при внешнем воздействии. 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.
   Математически необратимость механических процессов выражается в том, что уравнения движения макроскопических тел изменяются с изменением знака времени. Они, как говорят в таких случаях, не инвариантны при преобразовании t→-t. Ускорение не меняет знака при замене t→-t. Силы, зависящие от расстояний, также не изменяют 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.
  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 на экране 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, т. е. направление процессов, и тем самым выражает необратимость процессов в природе. Этот закон 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 (1822-1888) 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: тепло само 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 в том, что из него можно вывести заключение о необратимости не только процесса теплопередачи, но и других процессов 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.
 Закрепление изученного.

1. Какие процессы называются необратимыми? Назовите наиболее типичные необратимые процессы.
2. Как формулируется второй закон термодинамики?

3. Если бы реки потекли вспять, означало бы это, что нарушается закон сохранения энергии?

Применение знаний и умений (демонстрация маятника).

Обобщение и систематизация. Все процессы самопроизвольно протекают в одном определенном направлении. Они необратимы. Тепло всегда переходит от горячего тела к холодному, а механическая энергия макроскопических тел - во внутреннюю.
   Направление процессов в природе указывается вторым законом термодинамики.

Контроль знаний и умений (с.р. по карточкам).

Домашнее задание. §82,83.

Вариант 1

1. 2.

Вариант 2

1. 2.

1 Вариант. 2 Вариант.

1.Какова внутренняя энергия 5 моль 1. Какова внутренняя энергия гелия,

кислорода при 10 ⁰С? заполняющего аэростат объёмом 50 м³

при давлении 60 кПа?

2.При изотермическом расширении 2. В закрытом баллоне находится газ.

идеальным газом совершена работа 15 кДж. При охлаждении его внутренняя энергия

Какое количество теплоты сообщено газу? уменьшилась на 500 Дж. Какое

количество теплоты отдал газ?

Совершил ли он работу?

1 Вариант. 2 Вариант.

1.Какова внутренняя энергия 5 моль 1. Какова внутренняя энергия гелия,

кислорода при 10 ⁰С? заполняющего аэростат объёмом 50 м³

при давлении 60 кПа?

2.При изотермическом расширении 2. В закрытом баллоне находится газ.

идеальным газом совершена работа 15 кДж. При охлаждении его внутренняя энергия

Какое количество теплоты сообщено газу? уменьшилась на 500 Дж. Какое

количество теплоты отдал газ?

Совершил ли он работу?

1 Вариант. 2 Вариант.

1.Какова внутренняя энергия 5 моль 1. Какова внутренняя энергия гелия,

кислорода при 10 ⁰С? заполняющего аэростат объёмом 50 м³

при давлении 60 кПа?

2.При изотермическом расширении 2. В закрытом баллоне находится газ.

идеальным газом совершена работа 15 кДж. При охлаждении его внутренняя энергия

Какое количество теплоты сообщено газу? уменьшилась на 500 Дж. Какое

количество теплоты отдал газ?

Совершил ли он работу?

1 Вариант. 2 Вариант.

1.Какова внутренняя энергия 5 моль 1. Какова внутренняя энергия гелия,

кислорода при 10 ⁰С? заполняющего аэростат объёмом 50 м³

при давлении 60 кПа?

2.При изотермическом расширении 2. В закрытом баллоне находится газ.

идеальным газом совершена работа 15 кДж. При охлаждении его внутренняя энергия

Какое количество теплоты сообщено газу? уменьшилась на 500 Дж. Какое

количество теплоты отдал газ?

Совершил ли он работу?

1 Вариант. 2 Вариант.

1.Какова внутренняя энергия 5 моль 1. Какова внутренняя энергия гелия,

кислорода при 10 ⁰С? заполняющего аэростат объёмом 50 м³

при давлении 60 кПа?

2.При изотермическом расширении 2. В закрытом баллоне находится газ.

идеальным газом совершена работа 15 кДж. При охлаждении его внутренняя энергия

Какое количество теплоты сообщено газу? уменьшилась на 500 Дж. Какое

количество теплоты отдал газ?

Совершил ли он работу?