Обратими и необратими процеси в термодинамичен смисъл. Жизнените процеси като пример за необратими процеси
Министерство на железниците на Руската федерация
Далекоизточен държавен транспортен университет
Катедра по химия и екология
Докладвай
За изчисление и графична работа по темата:
Необратимостта на процесите в природата и стрелата на времето
Изпълнител: студент от 318 група
Трофимец А.А.
Проверено от учителя:
Дрютская С.М.
Хабаровск 2010 г
1. Въведение 3
2. Обща характеристика и формулировка
Втори закон на термодинамиката 4
3. Концепцията за ентропия 8
4. Стрела на времето 10
5. Заключение 11
6. Литература 12
Въведение
Законът за запазване на енергията гласи, че количеството енергия по време на всяка трансформация остава непроменено. Но той не казва нищо за възможните енергийни трансформации. Междувременно много процеси, които са напълно приемливи от гледна точка на закона за запазване на енергията, никога не се случват в действителност.
Закон за запазване на енергията не забранявапроцеси, които се преживяват не се срещат:
- нагряване на по-горещо тяло от по-студено;
Спонтанно люлеене на махалото от състояние на покой;
Събиране на пясък в камък и др.
Процесите в природата имат определена посока. Те не могат да протичат спонтанно в обратна посока.
Вторият закон на термодинамиката, който е най-важният закон на природата, определя посоката, в която протичат термодинамичните процеси, установява възможни граници за превръщането на топлината в работа при кръгови процеси и ни позволява да дадем стриктна дефиниция на понятия като ентропия , температура и др.
Обща характеристика и формулиране на втория закон на термодинамиката
Природните процеси винаги са насочени към постигане на системата в равновесно състояние (механично, термично или друго). Това явление се отразява във втория закон на термодинамиката, който също е от голямо значение за анализа на работата на топлоенергийните машини. В съответствие с този закон, например, топлината може спонтанно да се прехвърли само от тяло с по-висока температура към тяло с по-ниска температура. За да се извърши обратният процес, трябва да се изразходва известна работа. В тази връзка вторият закон на термодинамиката може да се формулира по следния начин: процес, при който топлината би се прехвърлила спонтанно от по-студени тела към по-топли тела, е невъзможен(постулат на Клаузиус, 1850 г.).
Вторият закон на термодинамиката също определя условията, при които топлината може да се превръща в работа толкова дълго, колкото желаете. Във всеки отворен термодинамичен процес, когато обемът се увеличава, се извършва положителна работа:
Където аз съм последната работа,
V1 и v2 са съответно начален и краен специфичен обем;
Но процесът на разширяване не може да продължи безкрайно, следователно възможността за превръщане на топлината в работа е ограничена.
Непрекъснатото преобразуване на топлината в работа се извършва само в кръгов процес или цикъл.
Всеки елементарен процес, включен в цикъла, се осъществява при подаване или отвеждане на топлина dQ,е придружено от завършване или изразходване на работа, увеличаване или намаляване на вътрешната енергия, но винаги когато условието е изпълнено dQ=dU+dLИ dq=du+dl,което показва, че без топлоснабдяване ( dq=0)външната работа може да се извърши само поради вътрешната енергия на системата, а доставката на топлина към термодинамична система се определя от термодинамичния процес. Интегрирането в затворен цикъл дава:
/>, />, тъй като />.
Тук Q° СИ Л° С- съответно топлината, превърната в работа в цикъла и работата, извършена от работния флуид, която е разликата | Л1 | - |Л2 | положителни и отрицателни работи на елементарни процеси на цикъла.
Елементарното количество топлина може да се счита за доставено (dQ>0)и отклонен (dQ от работния флуид. Сумата на подадената топлина в цикъла |Q1| и сумата на отведената топлина |Q2|. Следователно,
Л° С= Q° С=|Q1 | - |Q2 |.
Подаването на количество топлина Q1 към работния флуид е възможно при наличие на външен източник с температура по-висока от температурата на работния флуид. Този източник на топлина се нарича горещ. Отвеждането на количеството топлина Q2 от работния флуид е възможно и при наличие на външен източник на топлина, но с температура по-ниска от температурата на работния флуид. Такъв източник на топлина се нарича студен. По този начин, за да завършите един цикъл, е необходимо да имате два източника на топлина: единият с висока температура, другият с ниска. В този случай не цялото изразходвано количество топлина Q1 може да се превърне в работа, тъй като количеството топлина Q2 се прехвърля към източник на студ.
Работните условия на топлинния двигател са както следва:
Необходимостта от два източника на топлина (топла и студена);
Циклична работа на двигателя;
Прехвърляне на част от количеството топлина, получено от горещ източник към студен, без да се превръща в работа.
В тази връзка на втория закон на термодинамиката могат да се дадат още няколко формулировки:
прехвърлянето на топлина от студен източник към горещ е невъзможно без разходите за работа;
невъзможно е да се изгради периодично работеща машина, която да извършва работа и съответно да охлажда термичния резервоар;
природата се стреми към преход от по-малко вероятни състояния към по-вероятни.
Трябва да се подчертае, че вторият закон на термодинамиката (както и първият) е формулиран въз основа на опита.
В най-общия си вид вторият закон на термодинамиката може да се формулира по следния начин: всеки истински спонтанен процес е необратим. Всички други формулировки на втория закон са частни случаи на най-общата формулировка.
У. Томсън (лорд Келвин) предлага следната формулировка през 1851 г.: Невъзможно е с помощта на неодушевен материален агент да се получи механична работа от която и да е маса материя, като се охлади под температурата на най-студения заобикалящ обект.
М. Планк предложи формулировка, която беше по-ясна от тази на Томсън: Невъзможно е да се изгради периодично работеща машина, цялата работа на която да се сведе до концепцията за определено натоварване и охлаждане на източник на топлина.Под периодично работеща машина трябва да се разбира двигател, който непрекъснато (в цикличен процес) преобразува топлината в работа. Всъщност, ако беше възможно да се изгради топлинен двигател, който просто да взема топлина от някакъв източник и непрекъснато (циклично) да я трансформира в работа, тогава това би противоречило на позицията, че работата може да бъде произведена от система само когато няма равновесие (по-специално по отношение на топлинен двигател - когато има температурна разлика между горещи и студени източници в системата).
Ако нямаше ограничения, наложени от втория закон на термодинамиката, това би означавало, че е възможно да се изгради топлинна машина само с един източник на топлина. Такъв двигател може да работи чрез охлаждане, например, на вода в океана. Този процес може да продължи, докато цялата вътрешна енергия на океана се превърне в работа. Топлинен двигател, който би действал по този начин, беше подходящо наречен от V.F. Ostwald вечен двигател от втори вид (за разлика от вечен двигател от първи вид, който работи в противоречие със закона за запазване на енергията). В съответствие с горното, формулировката на втория закон на термодинамиката, дадена от Планк, може да бъде модифицирана, както следва: внедряването на вечен двигател от втори вид е невъзможно.
Трябва да се отбележи, че съществуването на вечен двигател от втори вид не противоречи на първия закон на термодинамиката; всъщност в този двигател работата ще се произвежда не от нищото, а от вътрешната енергия, съдържаща се в източника на топлина, така че от количествена страна процесът на получаване на работа от топлина в този случай не би бил невъзможен. Съществуването на такъв двигател обаче е невъзможно от гледна точка на качествената страна на процеса на топлообмен между телата.
Понятието ентропия
Несъответствието между превръщането на топлината в работа и работата в топлина води до едностранчиво насочване на реалните процеси в природата, което отразява физическия смисъл на втория закон на термодинамиката в закона за съществуването и нарастването на реалните процеси на определена функция, наречена ентропия
, определящ мярка за амортизация на енергията.
Често вторият закон на термодинамиката се представя като единен принцип за съществуването и нарастването на ентропията.
Принципът на съществуването на ентропиятасе формулира като математически израз за ентропията на термодинамичните системи при условия на обратими процеси:
Принципът на увеличаване на ентропиятасе свежда до твърдението, че ентропията на изолираните системи неизменно нараства с всяка промяна в тяхното състояние и остава постоянна само когато процесите са обратими:
И двата извода за съществуването и нарастването на ентропията се получават на базата на някакъв постулат, който отразява необратимостта на реалните процеси в природата. Най-често постулатите на Р. Клаузиус, У. Томпсън-Келвин и М. Планк се използват за доказване на комбинирания принцип за съществуването и нарастването на ентропията.
В действителност принципите на съществуване и нарастване на ентропията нямат нищо общо. Физическо съдържание: принципът на съществуване на ентропията характеризира термодинамичните свойства на системите, а принципът на нарастване на ентропията е най-вероятният ход на реалните процеси. Математическият израз на принципа за съществуване на ентропията е равенството, а принципът на нарастване е неравенството. Области на приложение: принципът на съществуването на ентропията и произтичащите от него последствия се използват за изследване на физичните свойства на веществата, а принципът на нарастващата ентропия се използва за преценка на най-вероятния ход на физическите явления. Философският смисъл на тези принципи също е различен.
В тази връзка принципите на съществуването и нарастването на ентропията се разглеждат отделно и техните математически изрази за всякакви тела се получават въз основа на различни постулати.
Изводът за съществуването на абсолютната температура T и ентропията s като термодинамични функции на състоянието на всякакви тела и системи е основното съдържание на втория закон на термодинамиката и се отнася за всякакви процеси - обратими и необратими.
Стрела на времето
Във всички процеси има избрана посока, в която процесите протичат сами от по-подредено състояние към по-малко подредено.
Колкото повече ред има в една система, толкова по-трудно е да я възстановите от разстройство. Несравнимо по-лесно е да счупите стъкло, отколкото да направите ново и да го поставите в рамка. Много по-лесно е да убиеш живо същество, отколкото да го върнеш към живот, ако това изобщо е възможно. „Бог създаде малка буболечка. Ако го смачкаш, ще умре“, това е епиграфът на американския биохимик Сент Дьорги към книгата му „Биоенергетика“.
Избраната посока на времето („стрела на времето”), която възприемаме, очевидно е свързана именно с посоката на процесите в света.
Заключение
Поради факта, че непрекъснатото производство на работа от топлина е възможно само ако част от топлината, взета от горещ източник, се прехвърли към студен източник, трябва да се подчертае важна характеристика на топлинните процеси: механична работа, електрическа работа, работа на магнитна сила и др. може да се преобразува в топлина без остатък.Що се отнася до топлината, само част от нея може да се преобразува в периодично повтарящ се процес в механична и друга работа; друга част от него неизбежно трябва да се пренесе в студения извор. Тази най-важна характеристика на топлинните процеси определя специалната позиция, заета от процеса на получаване на работа от топлината на всякакви други методи за получаване на работа (например получаване на механична работа поради кинетичната енергия на тялото, получаване на електричество поради механична работа , произвеждащи работа от магнитно поле поради електричество и т.н. .d.). При всеки от тези методи на преобразуване част от енергията трябва да се изразходва за неизбежни необратими загуби, като триене, електрическо съпротивление, магнитен вискозитет и т.н., превръщайки се в топлина.
Библиография:
Г.Я. Мякишев, А.З. Синяков. Молекулярна физика и термодинамика. Учебник за разширено изучаване на физика, 2002г
Кирилин В.А. и др.Техническа термодинамика: Учебник за ВУЗ - 4-то изд., преработено - М.: Енергоатомиздат, 1983.
Основи на топлотехниката / V.S. Охотин, В.Ф. Жидких, В.М. Лавыгин и др.- М.: Висше училище, 1984.
Поршаков B.P., Романов B.A. Основи на термодинамиката и топлотехниката , - М.: Недра, 1988.
Топлотехника /ред. В И. Крутова.- М.: Машиностроене, 1986
Топлоенергетика и топлотехника. Общи въпроси (справочник) - М.: Енергия, 1980.
Как възникват необратими процеси? В света всеки ден се случват много събития. Те могат да бъдат доста чести и постоянни или да имат необратими последици. Именно тези събития ще бъдат обсъдени в статията по-долу.
Понятие и определение
Необратимите процеси са непроменими, често регресивни процеси. Те могат да се появят в абсолютно всяка област на човешкия живот. Но според учените най-важни са подобни процеси в природата. За съжаление има много такива примери. Но в тази статия ще подчертаем най-основните. Те обикновено представляват мащабни екологични проблеми.
Изчезване на животни, унищожаване на растения
Съвсем разумно е да се каже, че изчезването на различни животински видове е естествен процес на еволюция.
Според Google всяка година светът губи от 1 до 10 вида животни и около 1-2 вида птици. Освен това изчезването има тенденция да се увеличава. Защото, според същата статистика, около 600 вида са официално застрашени от изчезване.
Така че това са напълно необратими процеси, протичащи в света на животните и растенията. Основните причини са следните фактори:
- Замърсяване, емисии и други негативни въздействия върху околната среда.
- Използването на химически съединения в селското стопанство, което прави невъзможно съществуването на определени видове животни и растения в такива райони.
- Постоянно намаляване на количеството храна за животните, свързано например с обезлесяването.
Изчерпване на Земята
Всеки ден всеки човек на планетата използва минерална енергия. Независимо дали става въпрос за нефт, газ, въглища или други необходими източници на електроенергия. Тук имате нов необратим процес - изчерпването на „съкровищниците“ на нашата планета. Учените смятат, че основната причина за тази регресия е постоянното нарастване на населението.
Увеличава се броят на хората, съответно нараства потреблението и търсенето. Наред с увеличаването на търсенето критиците посочват също, че постоянното изчерпване на минералните басейни ще доведе до неизбежни промени в климата. А това, както знаем, ще доведе до още по-големи проблеми, отколкото можем да си представим.
Както каза Тор Хейердал:
Мъртъв океан - мъртва Земя.
Той беше абсолютно прав в изказването си, намеквайки за един от примерите за необратими процеси - абсолютно нечестното поведение на хората по отношение не само на океана, но и на природата като цяло.
Още през 20 век стана известно, че Световният океан принадлежи на всички. Това по-специално го доведе до състоянието, в което се намира сега. Основното е, че това е и необратим процес - неграмотното използване на неговите ресурси, както и фактът, че Световният океан не е склонен да издържи цялото натоварване на атмосферата, в която човечеството произвежда ежедневни емисии. Но повече за това в следващата глава.
Необратимите процеси в природата често обхващат най-глобалните и сериозни области от живота ни. Изпускането на химикали в атмосферата е наистина важен проблем. Последствията от подобни емисии са толкова опасни, че през 1948 г. щатът Пенсилвания (САЩ) е покрит с изключително гъста мъгла. По това време в град Донора живеят около 14 000 души.
Според исторически източници от тези 14 хиляди са се разболели около 6 хиляди души. Мъглата беше толкова гъста, че беше почти невъзможно да се различи пътя. Те започнаха активно да се свързват с лекари с оплаквания от гадене, болки в очите и виене на свят. След известно време загинаха 20 души.
Масово загиваха и кучета, птици, котки – тези, които не можеха да намерят подслон от задушаващата мъгла. Не е трудно да се отгатне, че причината за това явление не е нищо друго освен емисиите в атмосферата. Учените твърдят, че ситуацията се дължи на неправилно разпределение на температурата на въздуха в района в резултат на използването на химикали.
Проблеми с озоновия слой
В продължение на много векове хората дори не подозират за съществуването на такова явление като озоновия слой (до 1873 г. - тогава ученият Шьонбейн го открива). Това обаче не попречи на човечеството да окаже много пагубно въздействие върху озоновия слой. Причините за унищожаването му, за изненада на мнозина, са доста прости, но убедителни причини:
В момента проблемът с разрушаването на озоновия слой е актуален. Хората мислят как да използват по-малко фреони и активно търсят техни заместители. Има и много доброволци, които се съгласяват да помогнат на учените и да се занимават с наука, за да спасят околната среда.
Човешкият „принос“ към природните пейзажи
Има две категории хора. За някои опазването на околната среда е важно, а за други е обратното. За съжаление, разрухата преобладава. Среда, която благодарение на влиянието на човечеството вече не е подходяща за живот, се счита за напълно обезобразена. И в днешно време има голям брой такива хора. Основно промените в природните ландшафти са обезлесяването, в резултат на което животните изчезват, растенията, птиците и др.
Подновяването на засегнатата област след това е изключително трудно и като правило почти никой не го прави. Много организации, занимаващи се с възстановяване на природата, знаят какви процеси се наричат необратими. Но дали тяхната сила ще бъде достатъчна, за да запази цялата ни екология?
Как да предотвратим неизбежното?
Ненапразно глобалните проблеми се наричат така - те нямат тенденция да се връщат. Въпреки това може да се окаже голяма помощ на света, така че тези процеси да не продължат да оказват вредно въздействие върху околната среда. Има много начини да помогнем на природата. Те са познати на всички отдавна, но е невъзможно да не говорим за тях.
- Политически начин. Това предполага създаването на закони за защита на околната среда, за нейното опазване. Много държави вече имат много такива закони. Човечеството обаче се нуждае от ефективни, буквално такива, които ни принуждават да спрем и да не унищожаваме собственото си местообитание.
- организации. Да, днес има екологични организации. Но също така би било хубаво да се гарантира, че всеки има възможност да участва в техните действия.
- Екологичен начин. Най-простото нещо е да засадите гора. Дървета, храсти, разсад и размножаване на различни растения е много основна задача, но може да има дълбоко въздействие върху природата.
Холцерова биоценоза
Обикновен човек, не ботаник или учен от най-висока категория, а просто обикновен фермер създаде биоценоза. Същността е да се осигури съществуването на риби, насекоми, животни, растения на определено място, без практически да се участва в тяхното развитие. Така цяла Австрия се изрежда на опашки за месо, плодове и други продукти. Той доказа с пример, че ако не пречиш на развитието на природата, това ще донесе само ползи. Така наречената хармония с природата е целта, към която трябва да се стреми всеки човек на този свят.
заключения
Човечеството е свикнало да действа според принципа: виждам целта - не виждам пречки. Дори това да доведе до такива глобални проблеми (ако вече не е започнало), че самото човечество ще изчезне. Опитвайки се да постигнем целите си и да осигурим собствения си комфорт, ние не забелязваме как всичко около нас се разрушава. Колко хора, след като прочетат тази статия, ще се запитат кои процеси са необратими?
Ако не преодолеем мисловния процес на съвременните хора, природата ще бъде изправена пред реална опасност само след няколко години. Жалко, че живеем в свят, в който нашата собствена полза надделява над състоянието на света около нас.
Законът за запазване на енергията гласи, че количеството енергия във всеки процес остава непроменено. Но той не казва нищо за възможните енергийни трансформации.
Z-запазване на енергията не забранява, процеси, които се преживяват не се срещат:
Нагряване на по-горещо тяло с по-студено;
Спонтанно люлеене на махалото от състояние на покой;
Събиране на пясък в камък и др.
Процесите в природата имат определена посока. Те не могат да протичат спонтанно в обратна посока. Всички процеси в природата са необратими(стареене и смърт на организмите).
Необратимопроцес може да се нарече такъв процес, чийто обратен може да възникне само като една от връзките на по-сложен процес. СпонтаненТова са процеси, които протичат без влиянието на външни тела и следователно без промени в тези тела).
Процесите на преход на система от едно състояние в друго, които могат да се осъществят в обратна посока чрез същата последователност от междинни равновесни състояния, се наричат обратими. В този случай самата система и околните тела напълно се връщат в първоначалното си състояние.
Вторият закон на термодинамиката показва посоката на възможните енергийни трансформации и по този начин изразява необратимостта на процесите в природата. Установено е чрез пряко обобщение на експериментални факти.
Формулировката на Р. Клаузиус: невъзможно е да се прехвърли топлина от по-студена система към по-гореща при липса на едновременни промени в двете системи или околните тела.
Формулировката на W. Kelvin: невъзможно е да се извърши такъв периодичен процес, чийто единствен резултат би бил производството на работа поради топлина, взета от един източник.
Невъзможентермичен вечен двигател от втори вид, т.е. двигател, който извършва механична работа чрез охлаждане на едно тяло.
Обяснението на необратимостта на процесите в природата има статистическа (вероятностна) интерпретация.
Чисто механичните процеси (без да се взема предвид триенето) са обратими, т.е. са инвариантни (не се променят) при замяна на t→ -t. Уравненията на движението на всяка отделна молекула също са инвариантни по отношение на времевата трансформация, тъй като съдържат само зависещи от разстоянието сили. Това означава, че причината за необратимостта на процесите в природата е, че макроскопичните тела съдържат много голям брой частици.
Макроскопичното състояние се характеризира с няколко термодинамични параметъра (налягане, обем, температура и др.). Микроскопичното състояние се характеризира с определяне на координатите и скоростите (моментите) на всички частици, които съставят системата. Едно макроскопично състояние може да бъде реализирано от огромен брой микросъстояния.
Нека означим: N е общият брой състояния на системата, N 1 е броят на микросъстоянията, които реализират дадено състояние, w е вероятността за дадено състояние.
Колкото по-голямо е N1, толкова по-голяма е вероятността за дадено макросъстояние, т.е. толкова по-дълго системата ще остане в това състояние. Еволюцията на системата се извършва в посока от малко вероятни състояния към по-вероятни. защото Механичното движение е подредено движение, а топлинното движение е хаотично, тогава механичната енергия се превръща в топлинна енергия. При пренос на топлина състояние, в което едно тяло има по-висока температура (молекулите имат по-висока средна кинетична енергия) е по-малко вероятно от състояние, в което температурите са еднакви. Следователно процесът на топлообмен протича в посока на изравняване на температурите.
Ентропия - мярка за разстройство. S - ентропия.
където k е константата на Болцман. Това уравнение разкрива статистическото значение на законите на термодинамиката. Количеството ентропия във всички необратими процеси нараства. От тази гледна точка животът е постоянна борба за намаляване на ентропията. Ентропията е свързана с информацията, т.к информацията води до ред (ако знаеш много, скоро ще остарееш).
Министерство на железниците на Руската федерация
Далекоизточен държавен транспортен университет
Катедра по химия и екология
За изчисление и графична работа по темата:
Необратимостта на процесите в природата и стрелата на времето
Изпълнител: студент от 318 група
Трофимец А.А.
Проверено от учителя:
Дрютская С.М.
Хабаровск 2010 г
1. Въведение 3
2. Обща характеристика и формулировка
втори закон на термодинамиката 4
3. Концепцията за ентропия 8
4. Стрела на времето 10
5. Заключение 11
6. Литература 12
Въведение
Законът за запазване на енергията гласи, че количеството енергия по време на всяка трансформация остава непроменено. Но той не казва нищо за възможните енергийни трансформации. Междувременно много процеси, които са напълно приемливи от гледна точка на закона за запазване на енергията, никога не се случват в действителност.
Закон за запазване на енергията не забранявапроцеси, които се преживяват не се срещат:
- нагряване на по-горещо тяло от по-студено;
Спонтанно люлеене на махалото от състояние на покой;
Събиране на пясък в камък и др.
Процесите в природата имат определена посока. Те не могат да протичат спонтанно в обратна посока.
Вторият закон на термодинамиката, който е най-важният закон на природата, определя посоката, в която протичат термодинамичните процеси, установява възможни граници за превръщането на топлината в работа при кръгови процеси и ни позволява да дадем стриктна дефиниция на понятия като ентропия , температура и др.
Обща характеристика и формулиране на втория закон на термодинамиката
Природните процеси винаги са насочени към постигане на системата в равновесно състояние (механично, термично или друго). Това явление се отразява във втория закон на термодинамиката, който също е от голямо значение за анализа на работата на топлоенергийните машини. В съответствие с този закон, например, топлината може спонтанно да се прехвърли само от тяло с по-висока температура към тяло с по-ниска температура. За да се извърши обратният процес, трябва да се изразходва известна работа. В тази връзка вторият закон на термодинамиката може да се формулира по следния начин: процес, при който топлината би се прехвърлила спонтанно от по-студени тела към по-топли тела, е невъзможен(постулат на Клаузиус, 1850 г.).
Вторият закон на термодинамиката също определя условията, при които топлината може да се превръща в работа толкова дълго, колкото желаете. Във всеки отворен термодинамичен процес, когато обемът се увеличава, се извършва положителна работа:
,
където l е последната работа,
v 1 и v 2 са съответно начален и краен специфичен обем;
но процесът на разширяване не може да продължи безкрайно, следователно възможността за превръщане на топлината в работа е ограничена.
Непрекъснатото преобразуване на топлината в работа се извършва само в кръгов процес или цикъл.
Всеки елементарен процес, включен в цикъла, се осъществява при подаване или отвеждане на топлина dQ,е придружено от завършване или изразходване на работа, увеличаване или намаляване на вътрешната енергия, но винаги когато условието е изпълнено dQ=dU+dLИ dq=du+dl,което показва, че без топлоснабдяване ( dq=0)външната работа може да се извърши само поради вътрешната енергия на системата, а доставката на топлина към термодинамична система се определя от термодинамичния процес. Интегрирането в затворен цикъл дава:
,
, защото .
Тук Q ° С И Л ° С - съответно топлината, превърната в работа в цикъла и работата, извършена от работния флуид, която е разликата | Л 1 | - |Л 2 | положителни и отрицателни работи на елементарни процеси на цикъла.
Елементарното количество топлина може да се счита за доставено (dQ>0)и отклонен (dQ<0) от работната течност. Сумата на подадената топлина в цикъла |Q 1 | и сумата на отведената топлина |Q 2 |. следователно
Л ° С = Q ° С =|Q 1 | - |Q 2 |.
Подаването на количество топлина Q 1 към работния флуид е възможно при наличие на външен източник с температура, по-висока от температурата на работния флуид. Този източник на топлина се нарича горещ. Отстраняването на количеството топлина Q 2 от работния флуид е възможно и при наличие на външен източник на топлина, но с температура, по-ниска от температурата на работния флуид. Такъв източник на топлина се нарича студен. По този начин, за да завършите един цикъл, е необходимо да имате два източника на топлина: единият с висока температура, другият с ниска. В този случай не цялото изразходвано количество топлина Q 1 може да се превърне в работа, тъй като количеството топлина Q 2 се прехвърля към източник на студ.
Работните условия на топлинния двигател са както следва:
необходимостта от два източника на топлина (топла и студена);
циклична работа на двигателя;
прехвърляне на част от количеството топлина, получено от горещ източник към студен, без да се превръща в работа.
В тази връзка на втория закон на термодинамиката могат да се дадат още няколко формулировки:
прехвърлянето на топлина от студен източник към горещ е невъзможно без разходите за работа;
невъзможно е да се изгради периодично работеща машина, която да извършва работа и съответно да охлажда термичния резервоар;
природата се стреми към преход от по-малко вероятни състояния към по-вероятни.
Трябва да се подчертае, че вторият закон на термодинамиката (както и първият) е формулиран въз основа на опита.
В най-общия си вид вторият закон на термодинамиката може да се формулира по следния начин: всеки истински спонтанен процес е необратим. Всички други формулировки на втория закон са частни случаи на най-общата формулировка.
У. Томсън (лорд Келвин) предлага следната формулировка през 1851 г.: Невъзможно е с помощта на неодушевен материален агент да се получи механична работа от която и да е маса материя, като се охлади под температурата на най-студения заобикалящ обект.
М. Планк предложи формулировка, която беше по-ясна от тази на Томсън: Невъзможно е да се изгради периодично работеща машина, цялата работа на която да се сведе до концепцията за определено натоварване и охлаждане на източник на топлина.Под периодично работеща машина трябва да се разбира двигател, който непрекъснато (в цикличен процес) преобразува топлината в работа. Всъщност, ако беше възможно да се изгради топлинен двигател, който просто да взема топлина от някакъв източник и непрекъснато (циклично) да я трансформира в работа, тогава това би противоречило на позицията, че работата може да бъде произведена от система само когато няма равновесие (по-специално по отношение на топлинен двигател - когато има температурна разлика между горещи и студени източници в системата).
Ако нямаше ограничения, наложени от втория закон на термодинамиката, това би означавало, че е възможно да се изгради топлинна машина само с един източник на топлина. Такъв двигател може да работи чрез охлаждане, например, на вода в океана. Този процес може да продължи, докато цялата вътрешна енергия на океана се превърне в работа. Топлинен двигател, който би действал по този начин, беше подходящо наречен от V.F. Ostwald вечен двигател от втори вид (за разлика от вечен двигател от първи вид, който работи в противоречие със закона за запазване на енергията). В съответствие с горното, формулировката на втория закон на термодинамиката, дадена от Планк, може да бъде модифицирана, както следва: внедряването на вечен двигател от втори вид е невъзможно.
Трябва да се отбележи, че съществуването на вечен двигател от втори вид не противоречи на първия закон на термодинамиката; всъщност в този двигател работата ще се произвежда не от нищото, а от вътрешната енергия, съдържаща се в източника на топлина, така че от количествена страна процесът на получаване на работа от топлина в този случай не би бил невъзможен. Съществуването на такъв двигател обаче е невъзможно от гледна точка на качествената страна на процеса на топлообмен между телата.
Понятието ентропия
Несъответствието между превръщането на топлината в работа и работата в топлина води до едностранчиво насочване на реалните процеси в природата, което отразява физическия смисъл на втория закон на термодинамиката в закона за съществуването и нарастването на реалните процеси на определена функция, наречена ентропия , определящ мярка за амортизация на енергията.
Често вторият закон на термодинамиката се представя като единен принцип за съществуването и нарастването на ентропията.
Принципът на съществуването на ентропиятасе формулира като математически израз за ентропията на термодинамичните системи при условия на обратими процеси:
.
Принципът на увеличаване на ентропиятасе свежда до твърдението, че ентропията на изолираните системи неизменно нараства с всяка промяна в тяхното състояние и остава постоянна само когато процесите са обратими:
И двата извода за съществуването и нарастването на ентропията се получават на базата на някакъв постулат, който отразява необратимостта на реалните процеси в природата. Най-често постулатите на Р. Клаузиус, У. Томпсън-Келвин и М. Планк се използват за доказване на комбинирания принцип за съществуването и нарастването на ентропията.
В действителност принципите на съществуване и нарастване на ентропията нямат нищо общо. Физическо съдържание: принципът на съществуване на ентропията характеризира термодинамичните свойства на системите, а принципът на нарастване на ентропията е най-вероятният ход на реалните процеси. Математическият израз на принципа за съществуване на ентропията е равенството, а принципът на нарастване е неравенството. Области на приложение: принципът на съществуването на ентропията и произтичащите от него последствия се използват за изследване на физичните свойства на веществата, а принципът на нарастващата ентропия се използва за преценка на най-вероятния ход на физическите явления. Философският смисъл на тези принципи също е различен.
В тази връзка принципите на съществуването и нарастването на ентропията се разглеждат отделно и техните математически изрази за всякакви тела се получават въз основа на различни постулати.
Изводът за съществуването на абсолютната температура T и ентропията s като термодинамични функции на състоянието на всякакви тела и системи е основното съдържание на втория закон на термодинамиката и се отнася за всякакви процеси - обратими и необратими.
Стрела на времето
Във всички процеси има избрана посока, в която процесите протичат сами от по-подредено състояние към по-малко подредено.
Колкото повече ред има в една система, толкова по-трудно е да я възстановите от разстройство. Несравнимо по-лесно е да счупите стъкло, отколкото да направите ново и да го поставите в рамка. Много по-лесно е да убиеш живо същество, отколкото да го върнеш към живот, ако това изобщо е възможно. „Бог създаде малка буболечка. Ако го смачкаш, ще умре“, това е епиграфът на американския биохимик Сент Дьорги към книгата му „Биоенергетика“.
Избраната посока на времето („стрела на времето”), която възприемаме, очевидно е свързана именно с посоката на процесите в света.
Заключение
Поради факта, че непрекъснатото производство на работа от топлина е възможно само ако част от топлината, взета от горещ източник, се прехвърли към студен източник, трябва да се подчертае важна характеристика на топлинните процеси: механична работа, електрическа работа, работа на магнитна сила и др. може да се преобразува в топлина без остатък.Що се отнася до топлината, само част от нея може да се преобразува в периодично повтарящ се процес в механична и друга работа; друга част от него неизбежно трябва да се пренесе в студения извор. Тази най-важна характеристика на топлинните процеси определя специалната позиция, заета от процеса на получаване на работа от топлината на всякакви други методи за получаване на работа (например получаване на механична работа поради кинетичната енергия на тялото, получаване на електричество поради механична работа , произвеждащи работа от магнитно поле поради електричество и т.н. .d.). При всеки от тези методи на преобразуване част от енергията трябва да се изразходва за неизбежни необратими загуби, като триене, електрическо съпротивление, магнитен вискозитет и т.н., превръщайки се в топлина.
Библиография:
Г.Я. Мякишев, А.З. Синяков. Молекулярна физика и термодинамика. Учебник за разширено изучаване на физика, 2002г
Кирилин В.А. и др.Техническа термодинамика: Учебник за ВУЗ - 4-то изд., преработено - М.: Енергоатомиздат, 1983.
Основи на топлотехниката / V.S. Охотин, В.Ф. Жидких, В.М. Лавыгин и др.- М.: Висше училище, 1984.
Поршаков B.P., Романов B.A. Основи на термодинамиката и топлотехниката , - М.: Недра, 1988.
Топлотехника /ред. В И. Крутова.- М.: Машиностроене, 1986
Топлоенергетика и топлотехника. Общи въпроси (справочник) - М.: Енергия, 1980.
Вторият закон на термодинамиката констатира факта за необратимост на процесите в природата, но не дава никакво обяснение за това. Това обяснение може да се получи само на базата на молекулярно-кинетична теория, а то далеч не е просто.
Противоречието между обратимостта на микропроцесите и необратимостта на макропроцесите
Необратимостта на макропроцесите изглежда парадоксална, защото всички микропроцеси са обратими във времето. Уравненията на движението на отделните микрочастици, както класически, така и квантови, са обратими във времето, тъй като не съдържат никакви сили на триене, които зависят от скоростта. Силата на триене е макроскопичен ефект от взаимодействието на голямо тяло с огромен брой молекули в околната среда и появата на самата тази сила изисква обяснение. Силите, чрез които микрочастиците си взаимодействат (предимно електромагнитните сили), са обратими във времето. Уравненията на Максуел, описващи електромагнитните взаимодействия, не се променят при замяна T На - T.
Ако вземем най-простия модел на газ - набор от еластични топки, тогава газът като цяло ще проявява определено насочено поведение. Например, компресиран в половин съд, той ще започне да се разширява и заема целия съд. Няма да се свие отново. Уравненията на движението на всяка молекулна топка са обратими във времето, тъй като съдържат само сили, които зависят от разстоянията и се появяват, когато молекулите се сблъскат.
По този начин задачата е не само да се обясни произходът на необратимостта, но и да се съгласува фактът на обратимостта на микропроцесите с факта на необратимостта на макропроцесите.
Заслугата за намирането на фундаментално правилен подход към решаването на този проблем принадлежи на Болцман. Вярно е, че някои аспекти на проблема с необратимостта все още не са получили цялостно решение.
Всекидневен пример за необратимост
Нека дадем един прост ежедневен пример, който въпреки своята тривиалност е пряко свързан с Болцмановото решение на проблема за необратимостта.
Да кажем, че в понеделник решите да започнете нов живот. Задължително условие за това обикновено е идеалният или близък до идеалния ред на бюрото. Поставяте всички предмети и книги на строго определени места и на масата ви има състояние, което с право може да се нарече състояние на „ред“.
Какво ще се случи след време се знае. Забравяте да поставите предмети и книги на строго определени места, а на масата цари хаос. Не е трудно да се разбере защо това се случва. Състоянието на „ред” отговаря само на едно конкретно разположение на обектите, а състоянието на „хаос” – на несравнимо по-голям брой. И веднага щом обектите започнат да заемат произволни позиции, неконтролирани от вашата воля, на масата естествено възниква по-вероятно състояние на хаос, реализирано от много по-голям брой разпределения на обекти на масата.
По принцип именно това са съображенията, които Болцман излага, за да обясни необратимостта на макропроцесите.
Микроскопични и макроскопични състояния
Необходимо е преди всичко да се прави разлика между макроскопичното състояние на системата и нейното микроскопично състояние.
Макроскопичното състояние се характеризира с малък брой термодинамични параметри (налягане, обем, температура и т.н.), както и такива механични величини като положението на центъра на масата, скоростта на центъра на масата и т.н. макроскопичните величини, които характеризират държавата като цяло и имат практическо значение.
Микроскопичното състояние се характеризира в общия случай чрез определяне на координатите и скоростите (или импулсите) на всички частици, които изграждат системата (макроскопично тяло). Това е несравнимо по-подробна характеристика на системата, познаването на която изобщо не е необходимо за описание на процеси с макроскопични тела. Освен това познаването на микросъстоянието е практически недостижимо поради огромния брой частици, които изграждат макротелата.
В горния ежедневен пример с обекти на масата можем да въведем концепциите за микро- и макросъстояния. Микросъстоянието съответства на една конкретна подредба на обекти, а макросъстоянието съответства на оценка на ситуацията като цяло: или „ред“, или „хаос“.
Това е съвсем очевидно определено макросъстояние може да се реализира от огромен брой различни микросъстояния.Така например преходът на една молекула от дадена точка в пространството към друга точка или промяната в нейната скорост в резултат на сблъсък променя микросъстоянието на системата, но, разбира се, не променя термодинамичните параметри и , следователно, макросъстоянието на системата.
Сега нека въведем хипотеза, която не е толкова очевидна, колкото предишните твърдения: всички микроскопични състояния на затворена система са еднакво вероятни; нито един от тях не е изтъкнат или заема преобладаващо положение.Това предположение всъщност е еквивалентно на хипотезата за хаотичния характер на топлинното движение на молекулите.
