Необратимость тепловых процессов. Второй закон термодинамики

Ключевые слова: обратимые и необратимые процессы, второй закон термодинамики.

На этом уроке вы:

• научитесь отличать обратимые и необратимые процессы, объяснять и применять второй закон термодинамики.

Первый закон термодинамики — закон сохранения энергии для тепловых процессов. Он устанавливает связь между количеством теплоты $Q$, полученной системой, изменением ее внутренней энергии $\Delta U$ и работой $A$, совершенной газом:

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, т. е. возможны любые процессы, в которых энергия остается неизменной.

Первый закон термодинамики не отвечает на вопрос: в каком направлении протекает тепловой процесс.

Приведем пример. Если привести в контакт два тела с температурами $T_1$ и $T_2$, то часть энергии будет передаваться от более нагретого тела к более холодному и через некоторое время наступит тепловое равновесие. Первый закон не был бы нарушен, если бы теплота передавалась от более холодного тела к более горячему при условии, что полная энергия системы оставалась бы неизменной.

Однако, как показывает опыт, тепловые процессы могут протекать только в одном направлении — от более горячих тел к более холодным.

Приведем еще один пример: при падении камня с некоторой высоты происходит превращение его потенциальной энергии в кинетическую, а затем во внутреннюю энергию самого камня и тела, о которое он ударился. Но по первому закону термодинамики не противоречил бы процесс, при котором к лежащему на земле камню передавалось бы от окружающих камней тепло, из-за чего камень поднялся бы на прежнюю высоту. Этого в жизни мы не наблюдаем. Этот процесс необратим.

Практически все процессы в природе, в том числе и тепловые, являются необратимыми.

Положение о необратимости естественных процессов в природе, указывающее направление протекания этих процессов, представляет собой второй закон термодинамики.

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 в исходное состояние. Обратимые процессы являются идеализацией реальных процессов.

Процессы превращения механической работы во внутреннюю энергию тела являются необратимыми из-за наличия трения, процессов диффузии в газах и жидкостях, процессов перемешивания газов при наличии начальной разности давлений и т. д. Все реальные процессы необратимы.

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.

Существует несколько формулировок второго закона термодинамики.

Формулировка Р. Клаузиуса: Теплота передается сама собой от тел с более высокой температурой к телам с более низкой температурой.

Формулировка У. Кельвина: 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. 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 ($\approx 10^{24}$ Дж), эквивалентное полному сжиганию $10^{17}$ кг угля. Ежегодно вырабатываемая на Земле энергия в 10 000 раз меньше. Поэтому вечный двигатель второго рода был бы для человечества не менее привлекательным, чем вечный двигатель первого рода, запрещенный первым законом термодинамики.

Вопросы

1. В чем различие обратимого и необратимого процессов?
2. О чем говорит второй закон термодинамики?
3. Почему в тепловых двигателях не удается использовать внутреннюю энергию океана?
4. Можно ли считать обратимым процессом неупругое столкновение двух тел?
5. Можно ли считать падение абсолютно упругого шарика на абсолютно упругую плиту в условиях вакуума обратимым процессом?
6. Можно ли считать обратимым движение футбольного мяча?
7. Докажите, что процесс теплопроводности необратим.
8. Является ли броуновское движение обратимым процессом?