Irreversibilität thermischer Prozesse

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik ist der Energieerhaltungssatz bei thermischen Prozessen, bei denen Energie einer Art in eine andere umgewandelt wird.

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik stellt zwar die Energiegleichheit im Verlauf von Prozessen her, liefert jedoch keine Hinweise darauf, in welche Richtung die Prozesse ablaufen und warum sie auf diese Weise und nicht anders ablaufen.

Wenn Körper und Systeme interagieren, haben die ablaufenden Prozesse eine bestimmte Richtung. Bei gedämpften Schwingungen des Pendels wandelt sich seine mechanische Energie also allmählich in die innere Energie des Pendels und der Umgebung um, der umgekehrte Vorgang findet jedoch nicht statt.

Die Auflösung von Zucker in Wasser und die Wärmeübertragung von einem heißen Körper auf einen kalten Körper sind Beispiele für einseitige Prozesse. Beispiele für irreversible Prozesse sind Diffusion, Wärmeleitfähigkeit und viskose Flüssigkeitsströmung. 11solche Prozesse werden aufgerufen irreversibel.

H.10. Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik

Die Irreversibilität von Prozessen und die Richtung möglicher Energieumwandlungen werden mit dem Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik formuliert, der eine Verallgemeinerung menschlicher Erfahrungen und Beobachtungen natürlicher Phänomene darstellt. Lassen Sie uns die vom deutschen Wissenschaftler R. Clausius vorgeschlagene Formulierung vorstellen.

Die Wärmemenge kann nicht spontan von einem weniger erhitzten Körper auf einen stärker erhitzten Körper übertragen werden. Hier sollte man auf das Wort „spontan“ achten, also geschieht von selbst, ohne Beteiligung anderer Körperschaften, ohne deren Zustand zu ändern.

Unsere tägliche Erfahrung bestätigt die Gültigkeit dieses Gesetzes der Thermodynamik. In einem Raum wird also Wärme von einem beheizten Heizkörper auf die Luft und die darin befindlichen Gegenstände übertragen und nicht umgekehrt.

In Kühlmaschinen wird dem Gefrierschrank Wärme entzogen und an die Umgebung abgegeben. Eine Verletzung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik liegt hier jedoch nicht vor, da dieser Vorgang nicht spontan abläuft, sondern den Aufwand an mechanischer Energie erfordert, die der Elektromotor des Kühlschranks verbraucht, d.h. Der Prozess des „Entziehens“ von Wärme aus dem Gefrierschrank geht mit einer Zustandsänderung der umgebenden Körper einher.

Irreversibilität ist nicht nur für den Wärmeübertragungsprozess, sondern für alle spontanen Prozesse charakteristisch.

Historische Referenz. Clausis Rudolf Julius Emanuel(1822-1888) – deutscher theoretischer Physiker, einer der Begründer der Thermodynamik und der kinetischen Gastheorie. Hauptwerke im Bereich Molekularphysik, Thermodynamik, Theorie der Dampfmaschinen, Theoretische Mechanik, Mathematische Physik. Er entwickelte die Ideen von S. Carnot und formulierte das Prinzip der Äquivalenz von Wärme und Arbeit. Im Jahr 1850 bewies er den Zusammenhang zwischen Wärme und mechanischer Arbeit (der erste Hauptsatz der Thermodynamik) und formulierte den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik: „Wärme allein kann nicht von einem kälteren Körper zu einem wärmeren wandern.“

Carnot Nicola Leonard Sadi(1796-1832) – französischer Physiker und Ingenieur. 1824 veröffentlichte er das Buch „Überlegungen über die treibende Kraft des Feuers und über Maschinen, die diese Kraft entwickeln können“. In dieser Arbeit bewies er zum ersten Mal, dass nützliche Arbeit nur dann erzielt werden kann, wenn Wärme von einem stärker erhitzten Körper auf einen weniger erhitzten Körper übertragen wird (der zweite Hauptsatz der Thermodynamik). Einführung der Konzepte kreisförmiger und reversibler Prozesse sowie des idealen Kreislaufs von Wärmekraftmaschinen.

Der thermodynamische Ansatz erlaubt es uns nicht, die innere Natur der Irreversibilität realer Prozesse in makroskopischen Systemen aufzudecken. Auf der Grundlage von Experimenten stellt er nur die Tatsache der Irreversibilität fest (der zweite Hauptsatz der Thermodynamik). Der molekularkinetische Ansatz ermöglicht es uns, die Gründe für eine solche Irreversibilität realer Prozesse und eine bestimmte Richtung von Energieumwandlungen in der Natur zu analysieren.

Hypothetisches Perpetuum mobile. Betrachten wir aus der Sicht der molekularkinetischen Theorie das in Abb. dargestellte Modell eines hypothetischen „Perpetuums“ zweiter Art. 79. Nehmen wir an, dass dieses Perpetuum mobile wie folgt funktioniert: Gas sammelt sich spontan in der linken Hälfte des Zylinders, woraufhin der Kolben in die Nähe des Gases bewegt wird. Bei einer solchen Bewegung leisten äußere Kräfte keine Arbeit, da das in der linken Hälfte gesammelte Gas keinen Druck auf den Kolben ausübt. Dann fügen wir dem Gas Wärme hinzu und bewirken, dass es sich isotherm ausdehnt

das gleiche Volumen. In diesem Fall funktioniert das Gas aufgrund der zugeführten Wärme. Nachdem sich der Kolben ganz nach rechts bewegt hat, warten wir, bis sich das Gas wieder spontan in der linken Gefäßhälfte ansammelt, und wiederholen dann alles noch einmal. Das Ergebnis ist eine periodisch arbeitende Maschine, die nur durch die Aufnahme von Wärme aus der Umgebung funktioniert.

Reis. 79. Eine der Optionen für ein „Perpetuum“ zweiter Art

Mithilfe der molekularkinetischen Theorie können wir sofort erklären, warum ein solches Gerät nicht funktioniert. Wie wir gesehen haben, ist die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein Gas mit einer großen Anzahl von Molekülen spontan mindestens einmal in einer Hälfte des Gefäßes ansammelt, vernachlässigbar. Und es ist absolut unvorstellbar, dass sich dies während des Betriebs der Maschine immer wieder wiederholen könnte.

Über irreversible Prozesse. Jetzt können wir die Bedeutung des Konzepts eines irreversiblen Prozesses erläutern: Ein Prozess ist irreversibel, wenn der umgekehrte Prozess praktisch nie stattfindet. Ein striktes Verbot für einen solchen Vorgang gibt es nicht – es ist einfach zu unwahrscheinlich, dass er experimentell beobachtet werden kann. Das betrachtete Beispiel eines Perpetuum Mobile zweiter Art basierte also auf der Annahme der Möglichkeit einer spontanen Gaskonzentration in einer Gefäßhälfte. Dieser Prozess ist das Gegenteil des Prozesses der Expansion von Gas in den Weltraum. Die Expansion eines Gases ins Leere ist eines der auffälligsten Beispiele für irreversible Prozesse – der umgekehrte Prozess wurde noch nie in einem makroskopischen System beobachtet.

Aus der Sicht der Konzepte der statistischen Mechanik besagt der zweite Hauptsatz der Thermodynamik, dass sich in der Natur in makroskopischen Systemen Prozesse in eine solche Richtung entwickeln, wenn weniger wahrscheinliche Zustände des Systems durch wahrscheinlichere ersetzt werden. Diese Interpretation des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik wurde erstmals von Boltzmann vorgeschlagen.

Bei der Betrachtung von Schwankungen in der Dichte eines idealen Gases wurde festgestellt, dass Gaszustände, in denen die Verteilung der Moleküle nahezu gleichmäßig ist, viel häufiger auftreten als Zustände weit vom Gleichgewicht entfernt mit einer sehr ungleichmäßigen Verteilung der Moleküle. Mit anderen Worten: Zustände mit einer ungleichmäßigen Verteilung der Moleküle im gesamten Volumen, bei denen die Anzahl der Moleküle in der rechten und linken Hälfte des Gefäßes sehr unterschiedlich ist, haben eine viel geringere Wahrscheinlichkeit als Zustände mit einer nahezu gleichmäßigen Verteilung nahe dem Gleichgewicht. Also der irreversible Prozess der Annäherung

Das Gleichgewicht ist ein Übergang zum wahrscheinlichsten makroskopischen Zustand.

Irreversible Prozesse und Zerstörung der Ordnung. Was oben über die Natur der Irreversibilität realer Prozesse gesagt wurde, kann etwas anders formuliert werden. Wir können sagen, dass ein irreversibler Übergang zum Gleichgewicht ein Übergang von hochgeordneten Nichtgleichgewichtszuständen zu weniger geordneten, chaotischen Zuständen ist.

Wenn sich ein Gas in einen Hohlraum ausdehnt, ist der Anfangszustand, wenn das Gas einen Teil des ihm zur Verfügung gestellten Volumens einnimmt, weitgehend geordnet, während der Endzustand des thermischen Gleichgewichts, wenn das Gas gleichmäßig über das gesamte Volumen des Gefäßes verteilt ist, ist völlig durcheinander.

Ein weiteres Beispiel ist ein gerichteter Strahl von Gasmolekülen, der in ein evakuiertes Gefäß eintritt. Die Herstellung einer Gleichgewichts-Maxwellschen Geschwindigkeitsverteilung von Molekülen ist ein irreversibler Prozess des Übergangs eines Systems von einem geordneten Zustand, in dem alle Moleküle nahezu identische Geschwindigkeiten in Größe und Richtung haben, zu einem Endzustand, der durch völlig chaotische Bewegung der Moleküle gekennzeichnet ist.

Unter diesem Gesichtspunkt ist es leicht, die spezifische Richtung der Energieumwandlungen in einem geschlossenen System zu verstehen, die durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik festgelegt ist. Wenn ein Körper durch mechanische Arbeit eine bestimmte Wärmemenge aufnimmt, bedeutet dies die irreversible Umwandlung der kinetischen Energie der geordneten makroskopischen Bewegung in die kinetische Energie der chaotischen Bewegung von Molekülen. Die Umwandlung von Wärme in Arbeit hingegen bedeutet die Umwandlung der Energie der zufälligen Bewegung von Molekülen in die Energie der geordneten Bewegung eines makroskopischen Körpers – ein solcher spontaner Übergang ist, wie wir gesehen haben, grundsätzlich möglich, aber äußerst unwahrscheinlich.

Schwankungen als Abweichungen vom zweiten Hauptsatz der Thermodynamik. Die durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik begründete irreversible Natur der Übergangsprozesse in einen thermischen Gleichgewichtszustand gilt nur für große makroskopische Systeme. Aus thermodynamischer Sicht kann ein isoliertes System, das einen thermischen Gleichgewichtszustand erreicht hat, diesen Zustand nicht spontan verlassen. Die statistische Mechanik lässt jedoch die Existenz von Fluktuationen zu, bei denen es sich tatsächlich um spontane Abweichungen des Systems vom Gleichgewicht handelt.

Wie bereits erwähnt, ist die relative Größe der Schwankungen eines makroskopischen Parameters umso geringer, je mehr Teilchen sich in einem System befinden, und bei einem ausreichend großen System können Schwankungen im Allgemeinen vernachlässigt werden. Deshalb gilt für solche Systeme der zweite Hauptsatz der Thermodynamik, der eine Zunahme besagt

Entropie in geschlossenen Systemen. Mit der statistischen Definition der Entropie verliert das zweite Gesetz seinen absoluten Charakter und wird zu einem statistischen Gesetz: Auf jeden gegebenen Zustand eines geschlossenen Systems folgen Zustände, die wahrscheinlicher, wenn nicht sogar notwendigerweise, sind als in den allermeisten Fällen.

In Systemen mit einer geringen Teilchenzahl ist das relative Ausmaß der Schwankungen groß, d. h. spontane Abweichungen einer Größe von ihrem Mittelwert können mit dem Mittelwert selbst vergleichbar sein. Ein solches System verlässt das Gleichgewicht oft spontan und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik gilt hier nicht. Ein typisches Beispiel für eine Verletzung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik in ausreichend kleinen Systemen ist die Brownsche Bewegung, bei der ein in einer Flüssigkeit suspendiertes makroskopisches Teilchen kinetische Energie von den Molekülen der Umgebung erhält, obwohl die Temperatur der Umgebung nicht höher als die ist Temperatur des Brownschen Teilchens selbst.

Wie erklärt die statistische Mechanik die Irreversibilität realer thermischer Prozesse?

Nennen Sie Beispiele für Phänomene, bei denen ein spontaner Austritt eines Systems aus einem thermodynamischen Gleichgewichtszustand beobachtet wird.

Warum sind geordnete Zustände im Vergleich zu ungeordneten Zuständen durch eine geringere Wahrscheinlichkeit gekennzeichnet?

Statistische Hypothese. Die Unvermeidlichkeit thermischer Prozesse in der Natur führt dazu, dass die statistische Mechanik von Systemen aus vielen Teilchen nicht durch die Gesetze der gewöhnlichen Mechanik erschöpft ist (obwohl sie auf diesen basiert), sondern die obligatorische Einführung einer zusätzlichen statistischen Hypothese in einem erfordert Form oder eine andere, zum Beispiel in Form einer Annahme über die gleiche Wahrscheinlichkeit verschiedener Mikrozustände geschlossenes System.

In Fällen, in denen thermische Prozesse jedoch keine Rolle spielen, können bestimmte Informationen über die Eigenschaften eines thermodynamischen Systems nur auf der Grundlage mechanischer Konzepte gewonnen werden. Unter Bedingungen der Wärmedämmung und bei Vorliegen eines mechanischen Gleichgewichts finden thermische Prozesse praktisch nicht statt. In diesen Fällen sind die auftretenden Phänomene reversibel und es kann das Modell eines adiabatischen Prozesses verwendet werden.

Lassen Sie uns zum Beispiel zeigen, wie man die adiabatische Gleichung für ein einatomiges ideales Gas erhalten kann, basierend auf der Existenz adiabatischer Invarianten in mechanischen Systemen. Erinnern wir uns (siehe Buch 1), dass eine adiabatische Invariante eine Größe ist, die ein mechanisches System charakterisiert und erhalten bleibt, wenn sich äußere Parameter langsam ändern. Insbesondere für einen Ball, der elastisch an zwei parallelen Wänden reflektiert wird, die sich langsam annähern oder auseinanderbewegen, ist die adiabatische Invariante das Produkt aus dem Abstand zwischen den Wänden und der absoluten Geschwindigkeit des Balls.

Im mechanischen Modell eines idealen Gases als Ansammlung einatomiger Moleküle, die elastisch von den Wänden eines kugelförmigen Gefäßes reflektiert werden, ist die adiabatische Invariante bei einer langsamen Änderung des Volumens V des Gefäßes das Produkt der charakteristischen linearen Größe (Radius). des Gefäßes und dem Geschwindigkeitsmodul des Moleküls. Ohne Wärmeübertragung beschreibt ein solches mechanisches Modell den realen adiabatischen Prozess der Kompression oder Expansion angemessen. Gleichzeitig behält die angegebene adiabatische Invariante ihre Bedeutung: Da der Radius proportional ist und der Geschwindigkeitsmodul proportional ist, dann

Es ist leicht zu erkennen, dass dies mit der oben erhaltenen adiabatischen Gleichung in den Variablen T und V für ein einatomiges ideales Gas übereinstimmt, da in diesem Fall

Unter welchen Bedingungen sind rein mechanische Konzepte, die nicht auf einer statistischen Hypothese basieren, auf Systeme mit einer großen Anzahl von Teilchen anwendbar?

Leiten Sie die adiabatische Gleichung für ein ideales Gas her, indem Sie einen zylindrischen Behälter betrachten, dessen Volumen sich ändert, wenn sich der Kolben langsam bewegt.

Ticket 23. 1. Irreversibilität thermischer Prozesse; Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik und seine statistische Interpretation

1. Irreversibilität thermischer Prozesse; der zweite Hauptsatz der Thermodynamik und seine statistische Interpretation.

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik – der Energieerhaltungssatz für thermische Prozesse – stellt den Zusammenhang dazwischen her Wärmemenge Q erhält das System durch Änderung von ΔU innere Energie Und arbeiten A, perfekt über äußere Körper:

Q = ΔU + A.

Nach diesem Gesetz kann Energie weder erzeugt noch zerstört werden; es wird von einem System auf ein anderes übertragen und von einer Form in eine andere umgewandelt. Prozesse, die den ersten Hauptsatz der Thermodynamik verletzen, wurden nie beobachtet. Der erste Hauptsatz der Thermodynamik legt nicht die Richtung thermischer Prozesse fest. Allerdings können viele thermische Prozesse erfahrungsgemäß nur in einer Richtung ablaufen. Solche Prozesse werden aufgerufen irreversibel. Beispielsweise wird beim thermischen Kontakt zweier Körper mit unterschiedlichen Temperaturen der Wärmefluss immer vom wärmeren zum kälteren Körper geleitet. Es gibt nie einen spontanen Prozess der Wärmeübertragung von einem Körper mit niedriger Temperatur zu einem Körper mit höherer Temperatur. Folglich ist der Wärmeübertragungsprozess bei einer endlichen Temperaturdifferenz irreversibel. Reversibel Prozesse sind Prozesse des Übergangs eines Systems von einem Gleichgewichtszustand in einen anderen, die in entgegengesetzter Richtung über die gleiche Abfolge von Zwischengleichgewichtszuständen durchgeführt werden können. In diesem Fall kehren das System selbst und die umgebenden Körper in ihren ursprünglichen Zustand zurück. Als Prozesse werden Prozesse bezeichnet, bei denen ein System ständig im Gleichgewichtszustand bleibt quasistatisch. Alle quasistatischen Prozesse sind reversibel. Alle anderen Kreislaufprozesse, die mit zwei Wärmespeichern durchgeführt werden, sind irreversibel. Irreversibel sind die Prozesse der Umwandlung mechanischer Arbeit in innere Energie eines Körpers aufgrund von Reibung, Diffusionsprozessen in Gasen und Flüssigkeiten, Prozessen der Gasmischung bei Vorhandensein einer anfänglichen Druckdifferenz usw. Alle realen Prozesse sind irreversibel, aber Sie können reversible, beliebig nahe Prozesse angehen. Reversible Prozesse sind Idealisierungen realer Prozesse. Der erste Hauptsatz der Thermodynamik kann reversible Prozesse nicht von irreversiblen unterscheiden. Es erfordert lediglich eine bestimmte Energiebilanz eines thermodynamischen Prozesses und sagt nichts darüber aus, ob ein solcher Prozess möglich ist oder nicht. Die Richtung spontan ablaufender Prozesse wird durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik festgelegt. Der deutsche Physiker R. Clausius formulierte den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik: Ein Prozess ist unmöglich, dessen einziges Ergebnis die Übertragung von Energie durch Wärmeaustausch von einem Körper mit niedriger Temperatur auf einen Körper mit höherer Temperatur wäre. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik steht in direktem Zusammenhang mit der Irreversibilität realer thermischer Prozesse. Die Energie der thermischen Bewegung von Molekülen unterscheidet sich qualitativ von allen anderen Energiearten – mechanisch, elektrisch, chemisch usw. Energie jeglicher Art, mit Ausnahme der Energie der thermischen Bewegung von Molekülen, kann vollständig in jede andere Energieart umgewandelt werden. einschließlich der Energie der thermischen Bewegung. Letztere können die Umwandlung in jede andere Energieart nur teilweise erfahren. Daher ist jeder physikalische Prozess, bei dem jede Art von Energie in die Energie der thermischen Bewegung von Molekülen umgewandelt wird, ein irreversibler Prozess, das heißt, er kann nicht vollständig in die entgegengesetzte Richtung ausgeführt werden. Eine gemeinsame Eigenschaft aller irreversiblen Prozesse ist, dass sie in einem thermodynamisch nicht im Gleichgewicht befindlichen System und als Ergebnis dieser Prozesse ablaufen Ein geschlossenes System nähert sich einem thermodynamischen Gleichgewichtszustand. Basierend auf dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik lassen sich die folgenden Aussagen beweisen, die aufgerufen werden Carnots Theoreme:

1. Der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine, die bei bestimmten Temperaturen von Heizung und Kühlschrank arbeitet, kann nicht größer sein als der Wirkungsgrad einer Maschine, die in einem reversiblen Carnot-Zyklus bei gleichen Temperaturen von Heizung und Kühlschrank arbeitet.
2. Der Wirkungsgrad einer nach dem Carnot-Zyklus arbeitenden Wärmekraftmaschine hängt nicht von der Art des Arbeitsmediums ab, sondern nur von den Temperaturen der Heizung und des Kühlschranks.

2 . Kernreaktionen: Erhaltungssätze für Kernreaktionen; nukleare Kettenreaktionen; Kernenergie; thermonukleare Reaktionen.

Kernreaktionen

Atomkerne unterliegen bei Wechselwirkungen Umwandlungen, die mit einer Zunahme oder Abnahme der kinetischen Energie der daran beteiligten Teilchen einhergehen

Kernreaktionen treten auf, wenn Teilchen in die Nähe des Kerns kommen und in den Bereich der Kernkräfte geraten. Wahrscheinlich geladene Teilchen stoßen sich gegenseitig ab. Daher ist die Annäherung positiv geladener Teilchen an Kerne (oder Kerne aneinander) möglich, wenn diesen Teilchen (oder Kernen) große kinetische Energie verliehen wird (z. B. Protonen, Deuteriumkerne – Deuteronen, α-Teilchen und andere Kerne mit der Hilfe von Elementarteilchen-Ionenbeschleunigern).

Die erste Kernreaktion mit schnellen Protonen wurde 1932 durchgeführt. Dabei gelang die Spaltung von Lithium in Alphateilchen:

Energieausbeute von Kernreaktionen., wobei tr, t p, s Konstanten sind

Bei dieser Reaktion ist die spezifische Bindungsenergie in Heliumkernen größer als die spezifische Bindungsenergie in Lithiumkernen. Daher wird ein Teil der inneren Energie des Lithiumkerns in die kinetische Energie auseinanderfliegender Alphateilchen umgewandelt.

Eine Änderung der Bindungsenergie von Kernen führt dazu, dass die gesamte Ruheenergie der an den Reaktionen beteiligten Teilchen und Kerne nicht unverändert bleibt. Schließlich drückt sich die Ruheenergie des Kerns M I nach der Formel direkt durch die Bindungsenergie aus. Gemäß dem Energieerhaltungssatz ist die Änderung der kinetischen Energie während des Zerfallsvorgangs gleich der Änderung der Ruheenergie der an der Reaktion beteiligten Kerne und Teilchen.

Energieabgabe einer Kernreaktion ist der Unterschied zwischen den Ruheenergien von Kernen und Teilchen vor und nach der Reaktion. Nach dem oben Gesagten ist die Energieabgabe einer Kernreaktion auch gleich der Änderung der kinetischen Energie der an der Reaktion beteiligten Teilchen.

Kernreaktionen mit Neutronen.

Die Entdeckung des Neutrons war ein Wendepunkt in der Erforschung von Kernreaktionen. Da Neutronen keine Ladung haben, dringen sie leicht in Atomkerne ein und bewirken deren Veränderungen.

Beispielsweise wird folgende Reaktion beobachtet:

Enrico Fermi war der erste, der durch Neutronen verursachte Reaktionen untersuchte. Er entdeckte, dass Kernumwandlungen nicht nur durch schnelle Neutronen, sondern auch durch Neutronen verursacht werden.

Die Reaktionen, die Atomkerne durchlaufen, sind sehr vielfältig. Neutronen werden von Kernen nicht abgestoßen und sind daher besonders wirksam bei der Auslösung langsamer Kernumwandlungen.

Thermonukleare Reaktionen nennen Veränderungen in Atomkernen, wenn diese mit Elementarteilchen oder untereinander wechselwirken.

3. Experimentelle Aufgabe: „Messung der Beschleunigung des freien Falls mit einem mathematischen Pendel.“

Irreversibel angerufen physikalischer Vorgang, die spontan nur in eine bestimmte Richtung fließen kann.

Umgekehrt können solche Prozesse nur als Teil eines komplexeren Prozesses auftreten.

Fast alle in der Natur ablaufenden Prozesse sind irreversibel. Dies liegt daran, dass in jedem realen Prozess ein Teil der Energie durch Strahlung, Reibung usw. verloren geht. Beispielsweise wandert Wärme bekanntlich immer von einem heißeren Körper zu einem kälteren – das ist das typischste Beispiel eines irreversiblen Prozesses (obwohl der umgekehrte Übergang nicht dem Energieerhaltungssatz widerspricht).

Außerdem wird eine Kugel (Pendel), die an einem leichten Faden hängt, niemals spontan die Amplitude ihrer Schwingungen erhöhen; im Gegenteil, wenn sie einmal durch eine äußere Kraft in Bewegung gesetzt wird, stoppt sie aufgrund des Luftwiderstands und der Reibung des Fadens schließlich auf die Federung. Somit wandelt sich die auf das Pendel übertragene mechanische Energie in die innere Energie der chaotischen Bewegung von Molekülen (Luft, Suspensionsmaterial) um.

Mathematisch drückt sich die Irreversibilität mechanischer Prozesse darin aus, dass sich die Bewegungsgleichung makroskopischer Körper mit einer Änderung des Vorzeichens der Zeit ändert: Sie sind beim Ersetzen nicht invariant T An - T. In diesem Fall ändern Beschleunigung und abstandsabhängige Kräfte ihr Vorzeichen nicht. Ersatzschild T An - Tändert sich mit der Geschwindigkeit. Dementsprechend wechselt die von der Geschwindigkeit abhängige Kraft, die Reibungskraft, das Vorzeichen. Deshalb wird bei der Arbeit durch Reibungskräfte die kinetische Energie des Körpers irreversibel in innere Energie umgewandelt.

Die Richtung der Prozesse in der Natur gibt an Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik.

Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik.

Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik- eines der Grundgesetze der Thermodynamik, das die Irreversibilität realer thermodynamischer Prozesse begründet.

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik wurde 1824 von N. L. S. Carnot, dann 1841 von W. Thomson (Kelvin) und 1850 von R. Clausius als Naturgesetz formuliert. Die Formulierungen des Gesetzes sind unterschiedlich, aber gleichwertig.

Der deutsche Wissenschaftler R. Clausius formulierte das Gesetz wie folgt: Es ist unmöglich, Wärme von einem kälteren System auf ein heißeres zu übertragen, wenn keine anderen gleichzeitigen Veränderungen in beiden Systemen oder umgebenden Körpern stattfinden. Dies bedeutet, dass Wärme nicht spontan von einem kälteren Körper auf einen heißeren übertragen werden kann ( Clausius-Prinzip).

Nach Thomsons Formulierung ist der Prozess, bei dem Arbeit in Wärme umgewandelt wird, ohne dass sich der Zustand des Systems sonst noch ändert, irreversibel, d Zustand des Systems ( Thomsons Prinzip).

Alle mechanischen Phänomene ohne Reibung
haben die folgende bemerkenswerte Eigenschaft.
Was auch immer die mechanische Bewegung des Körpers ist,
eine umgekehrte Bewegung ist immer möglich, in dem
Mit diesen passiert der Körper die gleichen Punkte im Raum
die gleichen Geschwindigkeiten wie bei der Vorwärtsfahrt, aber
nur in die entgegengesetzte Richtung. Das Reversibilität
Mechanische Phänomene können auf unterschiedliche Weise erfolgen

formulieren als ihre Symmetrie in Bezug auf die Ersetzung der Zukunft durch die Vergangenheit, also in Bezug auf den Wechsel des Zeitzeichens. Diese Symmetrie folgt aus den Bewegungsgleichungen selbst.

Eine völlig andere Situation ergibt sich im Bereich der thermischen Phänomene. Tritt ein thermischer Prozess auf, so erfolgt der umgekehrte Prozess, d.h. ein Prozess, bei dem dieselben Zustände durchlaufen werden, jedoch nur in umgekehrter Reihenfolge, ist in der Regel unmöglich. Mit anderen Worten handelt es sich bei thermischen Prozessen im Allgemeinen um Prozesse irreversibel.

Beispiele für typischerweise irreversible Prozesse sind die Energieübertragung beim Kontakt zweier Körper mit unterschiedlichen Temperaturen oder der Prozess der Gasexpansion in den Weltraum. Umgekehrte Prozesse kommen nie vor.

Im Allgemeinen neigt jedes sich selbst überlassene Körpersystem dazu, in einen Zustand des thermischen Gleichgewichts einzutreten, in dem die Körper relativ zueinander ruhen und die gleichen Temperaturen und Drücke aufweisen. Dies erreicht zu haben

Zustand, das System verlässt ihn nicht mehr von alleine. Mit anderen Worten: Alle thermischen Phänomene, die mit Prozessen einhergehen, die sich dem thermischen Gleichgewicht nähern, sind irreversibel.

Ein Beispiel für einen Prozess in hohem Maße
reversibel ist die adiabatische Expansion
oder Gasverdichtung, wenn die Bedingungen erfüllt sind
Adiabatizität. Auch isothermer Prozess
ist reversibel, wenn sie durchgeführt wird
ziemlich langsam. „Langsamkeit“ ist
im Allgemeinen ein charakteristisches Merkmal von reversibel
Prozesse: Der Prozess sollte so sein
langsam, so dass es den daran beteiligten Körpern so vorkommt, als ob
habe es geschafft, in jedem Moment der Zeit zu sein
Gleichgewichtszustand entsprechend

in diesem Moment bestehenden äußeren Bedingungen. Solche Prozesse werden aufgerufen quasistatisch.

Wir haben bereits erwähnt, dass in einem System von Körpern, die sich im thermischen Gleichgewicht befinden, keine Prozesse ohne äußere Eingriffe ablaufen können. Dieser Umstand hat noch einen weiteren Aspekt: Es ist unmöglich, mit Hilfe von Körpern im thermischen Gleichgewicht irgendeine Arbeit zu verrichten.

Diese äußerst wichtige Aussage über die Unmöglichkeit, aus der Energie von Körpern im thermischen Gleichgewicht Arbeit zu gewinnen, heißt Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik. Wir sind ständig von erheblichen Reserven an Wärmeenergie umgeben (zum Beispiel die Weltmeere). Ein Motor, der nur durch die Energie der Umgebung angetrieben wird, wäre praktisch ein „Perpetuum mobile“. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik schließt die Möglichkeit aus,, wie man sagt, zu konstruieren: Perpetuum mobile zweiter Art, ebenso wie der erste Hauptsatz der Thermodynamik (der Energieerhaltungssatz) die Möglichkeit einer Konstruktion ausschließt Perpetuum mobile erster Art, die ohne externe Energiequelle „aus dem Nichts“ funktionieren würde.

3. Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit

Wenden wir uns nun dem Problem zu, das seinerzeit (Anfang des 19. Jahrhunderts) tatsächlich als Grund für die Entstehung der Thermodynamik als Wissenschaft diente – dem Problem der Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit oder dem Problem der Wärmekraftmaschine. Die Erfindung von Methoden zur Erzeugung mechanischer Arbeit mithilfe von Wärme war der Beginn einer neuen Ära in der Geschichte der Zivilisation.

Tatsache ist, dass mechanische Arbeit immer vollständig in Wärmeenergie umgewandelt werden kann (z. B. durch Reibung), die vollständige Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie jedoch, wie sich herausstellte, unmöglich ist.

Jede Wärmekraftmaschine, die Wärme in Arbeit umwandelt (Dampfmaschinen, Verbrennungsmotoren usw.), arbeitet zyklisch, das heißt, in ihr werden die Prozesse der Wärmeübertragung und deren Umwandlung in Arbeit periodisch wiederholt.

Dazu ist es notwendig, dass der Körper die Arbeit verrichtet (Arbeitsflüssigkeit), nach Hitzeeinwirkung

Nach Abschluss der Arbeiten wird der ursprüngliche Zustand wiederhergestellt, um den gleichen Vorgang erneut zu beginnen.

Aber wir wissen, dass, damit die Gesamtarbeit eines Körpers während des Zyklus A positiv ist, er entlang einer unteren Kurve in seinen ursprünglichen Zustand im P-V-Diagramm zurückkehren muss (siehe Abb. 12.2). Allerdings ist die untere Kurve bei

Das P-V-Diagramm entspricht einer niedrigeren Temperatur, daher muss das Arbeitsmedium vor der Kompression abgekühlt werden.

Folglich ist für den zyklischen Betrieb einer Wärmekraftmaschine ein weiterer, dritter Körper erforderlich, der so genannte Kühlschrank und hat eine Temperatur T 2, die niedriger als die Heiztemperatur ist, was mit dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik übereinstimmt. Aus dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik folgt, dass Arbeit nur von Körpern verrichtet werden kann, die sich nicht im thermischen Gleichgewicht befinden (Heizung und Kühlschrank). Der Kühlschrank entzieht dem Arbeitsmedium |Q 2 | eine gewisse Wärmemenge (Wärme Q 2

negativ, da der Körper Wärme abgibt) und ihn abkühlt. Bei echten Wärmekraftmaschinen dient die Umgebung als Kühlschrank.

Gesamte mechanische Arbeit, die das Arbeitsmedium in einem Zyklus verrichtet

und ist, wie wir wissen, gleich der Fläche der Zyklusschleife im P-V-Diagramm (Abb. 12.2).

Effizienzfaktor(Wirkungsgrad) einer Wärmekraftmaschine n wird als Verhältnis bezeichnet