Главная
Начало темы
Задачи
Помощь

Второй закон термодинамики

Физический смысл второго закона термодинамики заключается в том, что энергия теплового движения молекул вещества в одном отношении качественно отличается от всех других видов энергии — механической, электрической, химической, ядерной и т. д. Это отличие заключается в том, что энергия любого вида, кроме энергии теплового движения молекул, может полностью превратиться в любой другой вид энергии, в том числе в энергию теплового движения. Энергия же теплового движения молекул может испытать превращение в любой другой вид энергии лишь частично. В результате этого любой физический процесс, в котором происходит превращение какого-либо вида энергии в энергию теплового движения молекул, является необратимым процессом, т. е. он не может быть осуществлен полностью в обратном направлении. Например, при падении мяча на пол происходит сначала превращение потенциальной энергии в кинетическую (обратимый процесс), затем кинетическая энергия превращается в потенциальную энергию деформированного мяча. При соударении мяча с полом и его деформации часть кинетической энергии превращается в энергию теплового движения молекул. Поэтому скорость мяча при отскоке оказывается меньше его скорости при падении, мяч после отскока поднимается на высоту h2, меньшую высоты h1, на какой он находился в начале опыта (h2 < h1). Механические движения, происходящие без трения обратимы, т.е. Обратимыми являются механические процессы в консервативных системах. Но реальные процессы, происходящие в природе необратимы, так как действуют силы трения.

На вопрос о том, почему процессы в природе необратимы можно ответить с позиции второго начала термодинамики, так как именно второй закон термодинамики есть выражение всеобщего закона, согласно которому в природе самопроизвольно происходят лишь процессы в результате которых упорядоченное движение переходит в беспорядочное, но беспорядочное движение не может полностью превратиться в упорядоченное.

Рассмотрим движение молекул, которое сопряжено с действием множества различных факторов. К ним можно отнести различные скорости сталкивающихся молекул газа, различный угол столкновения их друг с другом, в результате чего движение молекул приобретает хаотический характер. Таким образом, практически невозможно определить заранее место нахождения молекулы и ее скорость.

Но, если действие случайных факторов не позволяет предсказать дальнейшее поведение отдельной молекулы, то совместное действие случайных факторов проявляется в определенных закономерностях поведения большого числа молекул. Явление диффузии, неограниченное расширение до заполнения всего предоставленного объема и другие могут быть объяснены с помощью некоторых понятий теории вероятности события.

Пример.

С точки зрения понятия вероятности случайного события объясняется необратимость процесса расширения газа в вакуум. Пусть в сосуде, мысленно разделенном перегородкой на две половины, находятся четыре молекулы газа. В результате хаотического движения молекулы могут распределиться в обеих половинах сосуда (п -правая половина сосуда, л- левая половина). 1, 2, 3, 4 - номера молекул.

Для четырех молекул число возможных размещений должно быть равно N = 24 = 16 .

Вероянность случайного события или исхода - это отношение фактического числа исходов к общему числу возможных исходов. P= N1/N. Для равномерного распределения молекул по сосуду (2/2 - 2 справа, 2 - слева) N1=6, вероятность такого распределения наибольшая.

Таким образом, необратимость расширения газа в вакуум носит вероятностный характер. Необратимость этого процесса обусловлена тем, что равномерное распределение молекул по объему является наиболее вероятным.

Явление диффузии, например, растворение сахара в воде связанное с самопроизвольным равномерным распределением молекул по всему объему сосуда, часто наблюдаемо в повседневной жизни. Но обратный процесс появления кристаллов сахара в определенном месте сосуда наблюдать невозможно. Так же как и возможно самопроизвольное расширение газа, но вероятность его самопроизвольного сжатия чрезвычайно мала.

Системы, состоящие из большого числа частиц, будучи предоставленные самим себе, самопроизвольно переходят из состояний менее вероятных в состояния более вероятные.

Аналогичное объяснение можно дать и наблюдаемому на опыте направлению теплопередачи. Всегда осуществляется передача тепла от горячего тела к холодному потому, что равномерное распределение быстрых и медленных молекул в двух соприкасающихся телах является более вероятным, чем такое распределение, при котором в одном теле будут только «быстрые» молекулы, а в другом — только «медленные». С другой стороны, при упругих соударениях быстрых (горячих) и медленных (холодных) молекул , согласно законов сохранения импульса и энергии, медленные молекулы всегда ускоряются, а быстрые- замедляются.

Немецкий ученый Р.Клаузиус сформулировал второй закон термодинамики следующим образом: невозможно перевести тепло от более холодной системы к более горячей при отсутствии одновременных изменений в обеих системах или окружающих телах. В холодильных установках происходит передача тепло от холодного тела к горячему, но это связано с другими изменениями в системе: охлаждение происходит за счет работы.

Другая формулировка закона принадлежит английскому ученому У.Кельвину: невозможно осуществить такой периодический процесс, единственным результатом которого было бы получение работы за счет теплоты, взятой от одного источника. Если первый закон термодинамики утверждает, что невозможен вечный двигатель первого рода, то второй закон в формулировке Кельвина можно выразить в виде утверждения: невозможен вечный двигатель второго рода, то есть двигатель, совершающий работу за счет охлаждения какого-либо одного тела.

Значение второго закона термодинамики :

  • второй закон ТД указывает направление процессов в природе,
  • второй закон ТД определяет минимальный состав теплового двигателя: нагреватель, холодильник и рабочее тело.

О значении второго закона термодинамики предлагается видеозапись.