Обратимые и необратимые процессы. Необратимость процесса в природе Необратимость процессов в природе физика
- 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.
Обратимые и необратимые процессы , пути изменения состояния термодинамической системы.
Процесс называют обратимым , если он допускает возвращение рассматриваемой системы из конечного состояния в исходное через ту же последовательность промежуточных состояний, что и в прямом процессе, но проходимую в обратном порядке. При этом в исходное состояние возвращается не только система, но и среда. Обратимый процесс возможен, если и в системе, и в окружающей среде он протекает равновесно. При этом предполагается, что равновесие существует между отдельными частями рассматриваемой системы и на границе с окружающей средой. Обратимый процесс - идеализированный случай, достижимый лишь при бесконечно медленном изменении термодинамических параметров. Скорость установления равновесия должна быть больше, чем скорость рассматриваемого процесса.
Если невозможно найти способ вернуть и систему, и тела в окружающей среде в исходное состояние, процесс изменения состояния системы называют необратимым .
Необратимые процессы могут протекать самопроизвольно только в одном направлении; таковы диффузия,теплопроводность, вязкое течение и другое. Для химической реакции применяют понятия термодинамической и кинетической обратимости, которые совпадают только в непосредственной близости к состоянию равновесия На практике нередко встречаются системы, находящиеся в частичном равновесии, т.е. в равновесии по отношению к определенного рода процессам, тогда как в целом система неравновесна. Например, образец закаленной стали обладает пространственной неоднородностью и является системой, неравновесной по отношению к диффузионным процессам, однако в этом образце могут происходить равновесные циклы механической деформации, поскольку времена релаксации диффузии и деформации в твердых телах отличаются на десятки порядков. Следовательно, процессы с относительно большим временем релаксации являются кинетически заторможенными и могут не приниматься во внимание при термодинамич. анализе более быстрых процессов.
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 законетермодинамики. 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.
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. 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.
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;