თერმული პროცესების შეუქცევადობა

თერმოდინამიკის პირველი კანონი არის ენერგიის შენარჩუნების კანონი თერმული პროცესების დროს, როდესაც ერთი ტიპის ენერგია გარდაიქმნება მეორეში.

თერმოდინამიკის პირველი კანონი პროცესების პროცესში ენერგიის თანასწორობის დადგენისას არ იძლევა მითითებებს, თუ რა მიმართულებით მიმდინარეობს პროცესები და რატომ ხდება ისინი ასე და არა სხვაგვარად.

როდესაც სხეულები და სისტემები ურთიერთქმედებენ, მიმდინარე პროცესებს გარკვეული მიმართულება აქვთ. ამგვარად, ქანქარის დარბილებული რხევებით, მისი მექანიკური ენერგია თანდათან გადაიქცევა ქანქარისა და გარემოს შიდა ენერგიად, მაგრამ საპირისპირო პროცესი არ ხდება.

შაქრის წყალში დაშლა და სითბოს გადატანა ცხელი სხეულიდან ცივ სხეულზე ცალმხრივი პროცესების მაგალითებია. შეუქცევადი პროცესების მაგალითებია დიფუზია, თბოგამტარობა და ბლანტი სითხის ნაკადი. 11 ასეთ პროცესებს ე.წ შეუქცევადი.

H.10. თერმოდინამიკის მეორე კანონი

პროცესების შეუქცევადობა და შესაძლო ენერგიის გარდაქმნების მიმართულება ჩამოყალიბებულია თერმოდინამიკის მეორე კანონის გამოყენებით, რომელიც წარმოადგენს ადამიანის გამოცდილების განზოგადებას და ბუნებრივ მოვლენებზე დაკვირვებებს. წარმოგიდგენთ მის ფორმულირებას, რომელიც შემოთავაზებულია გერმანელი მეცნიერის რ.კლაუზიუსის მიერ.

სითბოს რაოდენობა არ შეიძლება სპონტანურად გადავიდეს ნაკლებად გახურებული სხეულიდან უფრო გახურებულ სხეულზე. აქ ყურადღება უნდა მიაქციოთ სიტყვას „სპონტანურად“, ე.ი. ხდება თავისთავად სხვა ორგანოების მონაწილეობის გარეშე, მათი მდგომარეობის შეცვლის გარეშე.

ჩვენი ყოველდღიური გამოცდილება ადასტურებს თერმოდინამიკის ამ კანონის მართებულობას. ასე რომ, ოთახში სითბო გადადის გახურებული რადიატორიდან ჰაერზე და ოთახში არსებულ ობიექტებზე და არა პირიქით.

სამაცივრო მანქანებში სითბოს იღებენ საყინულედან და გადადის გარემოში. თუმცა, თერმოდინამიკის მეორე კანონის დარღვევა აქ არ ხდება, ვინაიდან ეს პროცესი არ ხდება სპონტანურად, არამედ მოითხოვს მაცივრის ელექტროძრავის მიერ მოხმარებული მექანიკური ენერგიის ხარჯვას, ე.ი. საყინულედან სითბოს „გამოტანის“ პროცესს თან ახლავს გარემომცველი ორგანოების მდგომარეობის ცვლილება.

შეუქცევადობა დამახასიათებელია არა მხოლოდ სითბოს გადაცემის პროცესისთვის, არამედ ყველა სპონტანური პროცესისთვის.

ისტორიული ცნობა. კლაუსის რუდოლფ იულიუს ემანუელი(1822-1888) - გერმანელი ფიზიკოსი, თერმოდინამიკისა და აირების კინეტიკური თეორიის ერთ-ერთი შემქმნელი. ძირითადი სამუშაოები მოლეკულური ფიზიკის, თერმოდინამიკის, ორთქლის ძრავების თეორიის, თეორიული მექანიკის, მათემატიკური ფიზიკის დარგში. ს.კარნოს იდეების განვითარებით მან ჩამოაყალიბა სითბოსა და მუშაობის ეკვივალენტობის პრინციპი. 1850 წელს მან დაამტკიცა კავშირი სითბოსა და მექანიკურ მუშაობას შორის (თერმოდინამიკის პირველი კანონი), ჩამოაყალიბა თერმოდინამიკის მეორე კანონი: ”სითბო თავისთავად არ შეიძლება გადავიდეს ცივი სხეულიდან თბილზე”.

კარნო ნიკოლა ლეონარდ სადი(1796-1832) - ფრანგი ფიზიკოსი და ინჟინერი. 1824 წელს მან გამოაქვეყნა წიგნი "რეფლექსია ცეცხლის მამოძრავებელ ძალაზე და მანქანებზე, რომლებსაც შეუძლიათ ამ ძალის განვითარება". ამ ნაშრომში მან პირველად დაამტკიცა, რომ სასარგებლო სამუშაოს მიღება შესაძლებელია მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ სითბო გადადის უფრო გახურებული სხეულიდან ნაკლებად გაცხელებულზე (თერმოდინამიკის მეორე კანონი). გააცნო წრიული და შექცევადი პროცესების ცნებები, აგრეთვე სითბოს ძრავების იდეალური ციკლი.

თერმოდინამიკური მიდგომა არ გვაძლევს საშუალებას გამოვავლინოთ მაკროსკოპულ სისტემებში რეალური პროცესების შეუქცევადობის შინაგანი ბუნება. ექსპერიმენტის საფუძველზე ის მხოლოდ შეუქცევადობის ფაქტს აფიქსირებს (თერმოდინამიკის მეორე კანონი). მოლეკულური კინეტიკური მიდგომა საშუალებას გვაძლევს გავაანალიზოთ რეალური პროცესების ასეთი შეუქცევადობის მიზეზები და ბუნებაში ენერგიის გარდაქმნების გარკვეული მიმართულება.

ჰიპოთეტური მუდმივი მოძრაობის მანქანა.მოდით განვიხილოთ, მოლეკულური კინეტიკური თეორიის თვალსაზრისით, მეორე ტიპის ჰიპოთეტური „მუდმივი“ მოძრაობის მანქანის მოდელი, ნაჩვენები ნახ. 79. დავუშვათ, რომ ეს მუდმივი მოძრაობის მანქანა მუშაობს შემდეგნაირად: გაზი სპონტანურად გროვდება ცილინდრის მარცხენა ნახევარში, რის შემდეგაც დგუში გადადის გაზთან ახლოს. ასეთი მოძრაობით, გარე ძალები არანაირ სამუშაოს არ აკეთებენ, რადგან მარცხენა ნახევარში შეგროვებული გაზი არ ახდენს ზეწოლას დგუშზე. შემდეგ გაზს ვუმატებთ სითბოს და ვაქცევთ მის იზოთერმულად გაფართოებას

იგივე მოცულობა. ამ შემთხვევაში, გაზი მუშაობს მიწოდებული სითბოს გამო. მას შემდეგ, რაც დგუში გადადის უკიდურეს მარჯვენა პოზიციაზე, ველოდებით, სანამ გაზი კვლავ სპონტანურად შეგროვდება ჭურჭლის მარცხენა ნახევარში და შემდეგ ისევ ვიმეორებთ ყველაფერს. შედეგი არის პერიოდულად მოქმედი მანქანა, რომელიც მუშაობს მხოლოდ გარემოდან სითბოს მიღებით.

ბრინჯი. 79. მეორე სახის "მუდმივი" მოძრაობის მანქანის ერთ-ერთი ვარიანტი

მოლეკულური კინეტიკური თეორია საშუალებას გვაძლევს დაუყოვნებლივ ავხსნათ, რატომ არ იმუშავებს ასეთი მოწყობილობა. როგორც ვნახეთ, იმის ალბათობა, რომ გაზი, რომელიც შეიცავს დიდი რაოდენობით მოლეკულებს, სპონტანურად შეიკრიბება ჭურჭლის ერთ ნახევარში მაინც, უმნიშვნელოა. და აბსოლუტურად შეუძლებელია იმის წარმოდგენა, რომ ეს შეიძლება განმეორდეს ისევ და ისევ, როდესაც მანქანა მუშაობს.

შეუქცევადი პროცესების შესახებ.ახლა ჩვენ შეგვიძლია მივუთითოთ შეუქცევადი პროცესის ცნების მნიშვნელობა: პროცესი შეუქცევადია, თუ საპირისპირო პროცესი რეალურად თითქმის არასოდეს ხდება. ასეთი პროცესის მკაცრი აკრძალვა არ არსებობს - უბრალოდ, ექსპერიმენტულად დაკვირვება ძალიან ნაკლებად სავარაუდოა. ამრიგად, მეორე სახის მუდმივი მოძრაობის მანქანის განხილული მაგალითი დაფუძნებული იყო ჭურჭლის ერთ ნახევარში გაზის სპონტანური კონცენტრაციის შესაძლებლობის დაშვებაზე. ეს პროცესი კოსმოსში გაზის გაფართოების პროცესის საპირისპიროა. გაზის სიცარიელეში გაფართოება შეუქცევადი პროცესების ერთ-ერთი ყველაზე ნათელი მაგალითია - მაკროსკოპულ სისტემაში საპირისპირო პროცესი არასოდეს დაფიქსირებულა.

ამრიგად, სტატისტიკური მექანიკის ცნებების თვალსაზრისით, თერმოდინამიკის მეორე კანონი ამბობს, რომ ბუნებაში, მაკროსკოპულ სისტემებში, პროცესები ვითარდება ისეთი მიმართულებით, როდესაც სისტემის ნაკლებად სავარაუდო მდგომარეობები იცვლება უფრო სავარაუდოთ. თერმოდინამიკის მეორე კანონის ეს ინტერპრეტაცია პირველად შემოგვთავაზა ბოლცმანმა.

იდეალური აირის სიმკვრივის რყევების განხილვისას, აღმოჩნდა, რომ აირის მდგომარეობები, რომლებშიც მოლეკულების განაწილება ერთგვაროვანთან ახლოსაა, ბევრად უფრო ხშირად ხდება, ვიდრე წონასწორობისგან შორს მდგომარეობები მოლეკულების ძალიან არათანაბარი განაწილებით. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, მდგომარეობებს მოლეკულების არათანაბარი განაწილებით მთელ მოცულობაში, რომლებშიც ჭურჭლის მარჯვენა და მარცხენა ნახევარში მოლეკულების რაოდენობა ძალიან განსხვავებულია, აქვთ გაცილებით დაბალი ალბათობა, ვიდრე წონასწორობასთან ახლოს თითქმის ერთგვაროვანი განაწილების მდგომარეობებს. ასე რომ, მიახლოების შეუქცევადი პროცესი

წონასწორობისკენ არის გადასვლა ყველაზე სავარაუდო მაკროსკოპულ მდგომარეობაზე.

შეუქცევადი პროცესები და წესრიგის განადგურება.რაც ზემოთ ითქვა რეალური პროცესების შეუქცევადობის ბუნების შესახებ, შეიძლება გარკვეულწილად განსხვავებულად ჩამოყალიბდეს. შეგვიძლია ვთქვათ, რომ შეუქცევადი გადასვლა წონასწორობაზე არის გადასვლა უაღრესად მოწესრიგებული არათანაბარი მდგომარეობიდან ნაკლებად მოწესრიგებულ, ქაოტურ მდგომარეობებზე.

როდესაც გაზი გაფართოვდება სიცარიელეში, საწყისი მდგომარეობა, როდესაც გაზი იკავებს მისთვის მიწოდებული მოცულობის ნაწილს, ძირითადად წესრიგდება, ხოლო თერმული წონასწორობის საბოლოო მდგომარეობა, როდესაც გაზი თანაბრად ნაწილდება ჭურჭლის მთელ მოცულობაზე. სრულიად მოუწესრიგებელია.

კიდევ ერთი მაგალითია გაზის მოლეკულების მიმართული სხივი, რომელიც შედის ევაკუირებულ ჭურჭელში. მოლეკულების წონასწორული მაქსველის სიჩქარის განაწილების დამყარება არის სისტემის გადასვლის შეუქცევადი პროცესი მოწესრიგებული მდგომარეობიდან, როდესაც ყველა მოლეკულას აქვს თითქმის იდენტური სიჩქარე სიდიდითა და მიმართულებით, საბოლოო მდგომარეობამდე, რომელიც ხასიათდება მოლეკულების სრული ქაოტური მოძრაობით.

ამ თვალსაზრისით ადვილია თერმოდინამიკის მეორე კანონით დადგენილ დახურულ სისტემაში ენერგიის გარდაქმნების კონკრეტული მიმართულების გაგება. როდესაც სხეული იღებს სითბოს გარკვეულ რაოდენობას მექანიკური მუშაობის გამო, ეს ნიშნავს მოწესრიგებული მაკროსკოპული მოძრაობის კინეტიკური ენერგიის შეუქცევად გარდაქმნას მოლეკულების ქაოტური მოძრაობის კინეტიკურ ენერგიად. სითბოს სამუშაოდ გადაქცევა, პირიქით, ნიშნავს მოლეკულების შემთხვევითი მოძრაობის ენერგიის გარდაქმნას მაკროსკოპული სხეულის მოწესრიგებული მოძრაობის ენერგიად - ასეთი სპონტანური გადასვლა, როგორც ვნახეთ, პრინციპშია შესაძლებელი. მაგრამ უკიდურესად ნაკლებად სავარაუდოა.

რყევები, როგორც გადახრები თერმოდინამიკის მეორე კანონიდან.თერმოდინამიკის მეორე კანონით დადგენილი თერმოდინამიკის მეორე კანონით დადგენილი თერმული წონასწორობის მდგომარეობაში გადასვლის პროცესების შეუქცევადი ბუნება მოქმედებს მხოლოდ დიდი მაკროსკოპული სისტემებისთვის. თერმოდინამიკური თვალსაზრისით, იზოლირებული სისტემა, რომელმაც მიაღწია თერმული წონასწორობის მდგომარეობას, სპონტანურად ვერ გამოდის ამ მდგომარეობიდან. თუმცა, სტატისტიკური მექანიკა იძლევა რყევების არსებობის საშუალებას, რაც რეალურად არის სისტემის სპონტანური გადახრები წონასწორობიდან.

როგორც უკვე აღვნიშნეთ, რაც უფრო მეტი ნაწილაკია სისტემაში, მით უფრო მცირეა ნებისმიერი მაკროსკოპული პარამეტრის რყევების ფარდობითი სიდიდე და საკმარისად დიდი სისტემისთვის რყევების უგულებელყოფა ზოგადად შეიძლება. ამიტომ ასეთი სისტემებისთვის მოქმედებს თერმოდინამიკის მეორე კანონი, რომელიც აღნიშნავს ზრდას

ენტროპია დახურულ სისტემებში. ენტროპიის სტატისტიკური განმარტებით, მეორე კანონი კარგავს თავის აბსოლუტურ ხასიათს და იქცევა სტატისტიკურ კანონად: დახურული სისტემის ნებისმიერ მოცემულ მდგომარეობას მოჰყვება მდგომარეობები, რომლებიც უფრო სავარაუდოა, თუ არა აუცილებლად, შემთხვევების აბსოლუტურ უმრავლესობაში.

ნაწილაკების მცირე რაოდენობის მქონე სისტემებში, რყევების ფარდობითი სიდიდე დიდია, ანუ, რაოდენობის სპონტანური გადახრები მისი საშუალო მნიშვნელობიდან შეიძლება შედარდეს თავად საშუალო მნიშვნელობასთან. ასეთი სისტემა ხშირად სპონტანურად ტოვებს წონასწორობას და თერმოდინამიკის მეორე კანონი აქ არ მოქმედებს. საკმარისად მცირე სისტემებში თერმოდინამიკის მეორე კანონის დარღვევის ტიპიური მაგალითია ბრაუნის მოძრაობა, რომლის დროსაც სითხეში შეჩერებული მაკროსკოპული ნაწილაკი იღებს კინეტიკურ ენერგიას გარემოს მოლეკულებიდან, თუმცა გარემოს ტემპერატურა არ არის უფრო მაღალი ვიდრე თავად ბრაუნის ნაწილაკების ტემპერატურა.

როგორ ხსნის სტატისტიკური მექანიკა რეალური თერმული პროცესების შეუქცევადობას?

მოიყვანეთ ფენომენების მაგალითები, რომლებშიც შეინიშნება სისტემის სპონტანური გასვლა თერმოდინამიკური წონასწორობის მდგომარეობიდან.

რატომ ხასიათდება მოწესრიგებული მდგომარეობები უფრო დაბალი ალბათობით, ვიდრე არეულ მდგომარეობებთან შედარებით?

სტატისტიკური ჰიპოთეზა.ბუნებაში თერმული პროცესების გარდაუვალობა იწვევს იმ ფაქტს, რომ მრავალი ნაწილაკების სისტემების სტატისტიკური მექანიკა არ არის ამოწურული ჩვეულებრივი მექანიკის კანონებით (თუმცა მათზეა დაფუძნებული), მაგრამ მოითხოვს დამატებით სტატისტიკური ჰიპოთეზის სავალდებულო შემოღებას ერთში. ფორმა ან სხვა, მაგალითად, დაშვების სახით სხვადასხვა მიკროსახელმწიფოების დახურული სისტემის თანაბარი ალბათობის შესახებ.

მაგრამ იმ შემთხვევებში, როდესაც თერმული პროცესები უმნიშვნელოა, თერმოდინამიკური სისტემის თვისებების შესახებ გარკვეული ინფორმაციის მიღება შესაძლებელია მხოლოდ მექანიკური კონცეფციების საფუძველზე. თერმული პროცესები პრაქტიკულად არ არსებობს თბოიზოლაციის პირობებში მექანიკური წონასწორობის არსებობისას. ამ შემთხვევებში, მომხდარი მოვლენები შექცევადია და შეიძლება გამოყენებულ იქნას ადიაბატური პროცესის მოდელი.

მოდი ვაჩვენოთ, მაგალითად, როგორ შეიძლება მივიღოთ ადიაბატური განტოლება მონატომური იდეალური აირისთვის, მექანიკურ სისტემებში ადიაბატური ინვარიანტების არსებობაზე დაყრდნობით. გავიხსენოთ (იხ. წიგნი 1), რომ ადიაბატური ინვარიანტი არის სიდიდე, რომელიც ახასიათებს მექანიკურ სისტემას, რომელიც შენარჩუნებულია, როდესაც გარე პარამეტრები ნელ-ნელა იცვლება. კერძოდ, ბურთისთვის, რომელიც ელასტიურად ირეკლავს ორი პარალელური კედლიდან, რომლებიც ნელა უახლოვდებიან ან შორდებიან ერთმანეთს, ადიაბატური უცვლელი არის კედლებს შორის მანძილისა და ბურთის აბსოლუტური სიჩქარის პროდუქტი.

იდეალური აირის მექანიკურ მოდელში, როგორც სფერული ჭურჭლის კედლებიდან ელასტიურად არეკლილი მონაატომური მოლეკულების ერთობლიობაში, ადიაბატური უცვლელი ჭურჭლის V მოცულობის ნელი ცვლილებით იქნება დამახასიათებელი წრფივი ზომის პროდუქტი (რადიუსი). გემისა და მოლეკულის სიჩქარის მოდული. სითბოს გადაცემის არარსებობის შემთხვევაში, ასეთი მექანიკური მოდელი ადეკვატურად აღწერს შეკუმშვის ან გაფართოების რეალურ ადიაბატურ პროცესს. ამავდროულად, მითითებული ადიაბატური ინვარიანტი ინარჩუნებს თავის მნიშვნელობას: ვინაიდან რადიუსი პროპორციულია და სიჩქარის მოდული პროპორციულია, მაშინ

ადვილი მისახვედრია, რომ ეს ემთხვევა ადიაბატურ განტოლებას, რომელიც მიღებულ იქნა ზემოთ ცვლადებში T და V ერთატომური იდეალური გაზისთვის, რადგან ამ შემთხვევაში

რა პირობებში გამოიყენება წმინდა მექანიკური ცნებები, რომლებიც არ არის დაფუძნებული სტატისტიკურ ჰიპოთეზაზე, გამოიყენება დიდი რაოდენობით ნაწილაკების სისტემებზე?

გამოიტანეთ იდეალური გაზის ადიაბატური განტოლება ცილინდრული ჭურჭლის გათვალისწინებით, რომლის მოცულობა იცვლება დგუშის ნელა მოძრაობისას.

ბილეთი 23. 1. თერმული პროცესების შეუქცევადობა; თერმოდინამიკის მეორე კანონი და მისი სტატისტიკური ინტერპრეტაცია

1. თერმული პროცესების შეუქცევადობა; თერმოდინამიკის მეორე კანონი და მისი სტატისტიკური ინტერპრეტაცია.

თერმოდინამიკის პირველი კანონი - თერმული პროცესებისთვის ენერგიის შენარჩუნების კანონი - ადგენს კავშირს სითბოს რაოდენობა Q მიღებული სისტემა ΔU მისი შეცვლით შინაგანი ენერგიადა მუშაობა A, სრულყოფილი გარე სხეულებზე:

Q = ΔU + A.

ამ კანონის მიხედვით, ენერგია არ შეიძლება შეიქმნას ან განადგურება; ის ერთი სისტემიდან მეორეში გადადის და ერთი ფორმიდან მეორეში გარდაიქმნება. პროცესები, რომლებიც არღვევს თერმოდინამიკის პირველ კანონს, არასოდეს დაფიქსირებულა. თერმოდინამიკის პირველი კანონი არ ადგენს თერმული პროცესების მიმართულებას. თუმცა, როგორც გამოცდილება გვიჩვენებს, ბევრი თერმული პროცესი შეიძლება მოხდეს მხოლოდ ერთი მიმართულებით. ასეთ პროცესებს ე.წ შეუქცევადი. მაგალითად, ორი სხეულის თერმული კონტაქტის დროს სხვადასხვა ტემპერატურასთან, სითბოს ნაკადი ყოველთვის მიმართულია თბილი სხეულიდან ცივზე. არასოდეს არ ხდება სითბოს გადაცემის სპონტანური პროცესი დაბალი ტემპერატურის მქონე სხეულიდან უფრო მაღალი ტემპერატურის მქონე სხეულზე. შესაბამისად, სითბოს გადაცემის პროცესი სასრულ ტემპერატურულ განსხვავებაზე შეუქცევადია. შექცევადიპროცესები არის სისტემის გადასვლის პროცესები ერთი წონასწორული მდგომარეობიდან მეორეზე, რომელიც შეიძლება განხორციელდეს საპირისპირო მიმართულებით შუალედური წონასწორობის მდგომარეობების იგივე თანმიმდევრობით. ამ შემთხვევაში, თავად სისტემა და მიმდებარე სხეულები უბრუნდებიან პირვანდელ მდგომარეობას. პროცესებს, რომლის დროსაც სისტემა მუდმივად რჩება წონასწორობის მდგომარეობაში, ეწოდება კვაზი-სტატიკური. ყველა კვაზი-სტატიკური პროცესი შექცევადია. ყველა სხვა წრიული პროცესი, რომელიც ხორციელდება ორი სითბოს რეზერვუარით, შეუქცევადია. შეუქცევადია მექანიკური სამუშაოს სხეულის შინაგან ენერგიად გადაქცევის პროცესები ხახუნის არსებობის გამო, დიფუზიური პროცესები აირებსა და სითხეებში, გაზის შერევის პროცესები საწყისი წნევის სხვაობის არსებობისას და ა.შ. ყველა რეალური პროცესი შეუქცევადია. მაგრამ მათ შეუძლიათ მიუახლოვდნენ შექცევად თვითნებურად დახურულ პროცესებს. შექცევადი პროცესები რეალური პროცესების იდეალიზაციებია. თერმოდინამიკის პირველ კანონს არ შეუძლია განასხვავოს შექცევადი პროცესები შეუქცევადი პროცესებისგან. ის უბრალოდ მოითხოვს გარკვეულ ენერგეტიკულ ბალანსს თერმოდინამიკური პროცესისგან და არაფერს ამბობს იმაზე, შესაძლებელია თუ არა ასეთი პროცესი. სპონტანურად მიმდინარე პროცესების მიმართულება დადგენილია თერმოდინამიკის მეორე კანონით. გერმანელმა ფიზიკოსმა რ. კლაუზიუსმა მისცა თერმოდინამიკის მეორე კანონის ფორმულირება: შეუძლებელია პროცესი, რომლის ერთადერთი შედეგი იქნება ენერგიის გადაცემა დაბალი ტემპერატურის მქონე სხეულიდან უფრო მაღალი ტემპერატურის მქონე სხეულზე. თერმოდინამიკის მეორე კანონი პირდაპირ კავშირშია რეალური თერმული პროცესების შეუქცევადობასთან. მოლეკულების თერმული მოძრაობის ენერგია ხარისხობრივად განსხვავდება ყველა სხვა ტიპის ენერგიისგან - მექანიკური, ელექტრო, ქიმიური და ა.შ. ნებისმიერი ტიპის ენერგია, გარდა მოლეკულების თერმული მოძრაობის ენერგიისა, შეიძლება მთლიანად გარდაიქმნას ნებისმიერ სხვა ტიპის ენერგიად. თერმული მოძრაობის ენერგიის ჩათვლით. ამ უკანასკნელს შეუძლია განიცადოს ტრანსფორმაცია ნებისმიერ სხვა ტიპის ენერგიად მხოლოდ ნაწილობრივ. მაშასადამე, ნებისმიერი ფიზიკური პროცესი, რომლის დროსაც ნებისმიერი ტიპის ენერგია გარდაიქმნება მოლეკულების თერმული მოძრაობის ენერგიად, შეუქცევადი პროცესია, ანუ ის არ შეიძლება განხორციელდეს სრულიად საპირისპირო მიმართულებით. ყველა შეუქცევადი პროცესის საერთო თვისებაა ის, რომ ისინი წარმოიქმნება თერმოდინამიკურად არაბალანსირებულ სისტემაში და ამ პროცესების შედეგად დახურული სისტემა უახლოვდება თერმოდინამიკური წონასწორობის მდგომარეობას.თერმოდინამიკის მეორე კანონის საფუძველზე შეიძლება დადასტურდეს შემდეგი დებულებები, რომლებიც ე.წ კარნოს თეორემები:

1. სითბოს ძრავის ეფექტურობა, რომელიც მუშაობს გამათბობლისა და მაცივრის მოცემულ ტემპერატურებზე, არ შეიძლება იყოს უფრო მაღალი, ვიდრე მანქანის ეფექტურობა, რომელიც მუშაობს შექცევადი კარნოს ციკლში გამათბობლისა და მაცივრის იმავე ტემპერატურაზე.
2. კარნოს ციკლის მიხედვით მომუშავე სითბური ძრავის ეფექტურობა არ არის დამოკიდებული სამუშაო სითხის ტიპზე, არამედ მხოლოდ გამათბობლისა და მაცივრის ტემპერატურაზე.

2 . ბირთვული რეაქციები: ბირთვული რეაქციების კონსერვაციის კანონები; ბირთვული ჯაჭვის რეაქციები; ბირთვული ენერგია; თერმობირთვული რეაქციები.

ბირთვული რეაქციები

ატომის ბირთვები ურთიერთქმედების დროს განიცდიან გარდაქმნებს, რასაც თან ახლავს მათში მონაწილე ნაწილაკების კინეტიკური ენერგიის ზრდა ან შემცირება.

ბირთვული რეაქციები ხდება მაშინ, როდესაც ნაწილაკები მიუახლოვდებიან ბირთვს და ეცემა ბირთვული ძალების დიაპაზონში. სავარაუდო დამუხტული ნაწილაკები ერთმანეთს მოგერიებენ. ამრიგად, დადებითად დამუხტული ნაწილაკების მიახლოება ბირთვებთან (ან ბირთვებთან) შესაძლებელია, თუ ამ ნაწილაკებს (ან ბირთვებს) მიეცემათ დიდი კინეტიკური ენერგია (მაგალითად, პროტონებს, დეიტერიუმის ბირთვებს - დეიტრონებს, α- ნაწილაკებს და სხვა ბირთვებს. ელემენტარული ნაწილაკების იონის ამაჩქარებლების დახმარებით).

პირველი ბირთვული რეაქცია სწრაფი პროტონების გამოყენებით განხორციელდა 1932 წელს. შესაძლებელი გახდა ლითიუმის დაყოფა ალფა ნაწილაკებად:

ბირთვული რეაქციების ენერგეტიკული გამოსავალი., სადაც t r, t p, s მუდმივებია

ამ რეაქციაში, ჰელიუმის ბირთვებში სპეციფიკური შეკავშირების ენერგია უფრო მეტია, ვიდრე ლითიუმის ბირთვებში. ამრიგად, ლითიუმის ბირთვის შინაგანი ენერგიის ნაწილი გარდაიქმნება ალფა ნაწილაკების ერთმანეთისგან გაფრენის კინეტიკურ ენერგიად.

ბირთვების შებოჭვის ენერგიის ცვლილება ნიშნავს, რომ რეაქციებში მონაწილე ნაწილაკებისა და ბირთვების ჯამური დასვენების ენერგია არ რჩება უცვლელი. ყოველივე ამის შემდეგ, M I ბირთვის დანარჩენი ენერგია, ფორმულის მიხედვით, პირდაპირ გამოხატულია შებოჭვის ენერგიის საშუალებით. ენერგიის შენარჩუნების კანონის შესაბამისად, კინეტიკური ენერგიის ცვლილება დაშლის პროცესში უდრის რეაქციაში მონაწილე ბირთვების და ნაწილაკების დანარჩენი ენერგიის ცვლილებას.

ბირთვული რეაქციის ენერგიის გამომუშავება არის განსხვავება ბირთვებისა და ნაწილაკების დანარჩენ ენერგიას შორის რეაქციამდე და მის შემდეგ. ადრე ნათქვამის მიხედვით, ბირთვული რეაქციის ენერგიის გამომუშავება ასევე უდრის რეაქციაში მონაწილე ნაწილაკების კინეტიკური ენერგიის ცვლილებას.

ბირთვული რეაქციები ნეიტრონებით.

ნეიტრონის აღმოჩენა იყო გარდამტეხი მომენტი ბირთვული რეაქციების შესწავლაში. ვინაიდან ნეიტრონებს არ აქვთ მუხტი, ისინი ადვილად შეაღწევენ ატომის ბირთვებში და იწვევენ მათ ცვლილებებს.

მაგალითად, შემდეგი რეაქცია შეინიშნება:

ენრიკო ფერმი იყო პირველი, ვინც შეისწავლა ნეიტრონების მიერ გამოწვეული რეაქციები. მან აღმოაჩინა, რომ ბირთვული გარდაქმნები გამოწვეულია არა მხოლოდ სწრაფი ნეიტრონებით, არამედ ნეიტრონებითაც.

რეაქციები, რომლებშიც ატომური ბირთვები განიცდიან, ძალიან მრავალფეროვანია. ნეიტრონები არ მოიგერიეს ბირთვებით და ამიტომ განსაკუთრებით ეფექტურია ნელი ბირთვული გარდაქმნების გამომწვევი.

თერმობირთვული რეაქციები უწოდებენ ცვლილებებს ატომის ბირთვებში, როდესაც ისინი ურთიერთქმედებენ ელემენტარულ ნაწილაკებთან ან ერთმანეთთან.

3. ექსპერიმენტული დავალება: „თავისუფალი ვარდნის აჩქარების გაზომვა მათემატიკური ქანქარით“.

შეუქცევადიდაურეკა ფიზიკური პროცესი, რომელიც შეიძლება სპონტანურად მიედინება მხოლოდ ერთი კონკრეტული მიმართულებით.

საპირისპირო მიმართულებით, ასეთი პროცესები შეიძლება მოხდეს მხოლოდ როგორც უფრო რთული პროცესის ერთ-ერთი რგოლი.

ბუნებაში მიმდინარე თითქმის ყველა პროცესი შეუქცევადია. ეს გამოწვეულია იმით, რომ ნებისმიერ რეალურ პროცესში ენერგიის ნაწილი იშლება რადიაციის, ხახუნის და ა.შ. მაგალითად, სითბო, როგორც ცნობილია, ყოველთვის გადადის ცხელი სხეულიდან ცივზე - ეს ყველაზე ტიპიურია. შეუქცევადი პროცესის მაგალითი (თუმცა საპირისპირო გადასვლა არ ეწინააღმდეგება ენერგიის შენარჩუნების კანონს).

ასევე, მსუბუქ ძაფზე ჩამოკიდებული ბურთი (ქანქარა) არასოდეს სპონტანურად არ გაზრდის მისი რხევების ამპლიტუდას, პირიქით, გარე ძალის მიერ მოძრაობაში მოქცევის შემდეგ ის საბოლოოდ შეჩერდება ჰაერის წინააღმდეგობის და ძაფის ხახუნის შედეგად. შეჩერებაზე. ამრიგად, ქანქარას გადაცემული მექანიკური ენერგია გარდაიქმნება მოლეკულების (ჰაერი, საკიდი მასალა) ქაოტური მოძრაობის შინაგან ენერგიად.

მათემატიკურად, მექანიკური პროცესების შეუქცევადობა გამოიხატება იმით, რომ მაკროსკოპული სხეულების მოძრაობის განტოლება იცვლება დროის ნიშნის ცვლილებით: ისინი არ არიან უცვლელი ჩანაცვლებისას. ტ on - ტ. ამ შემთხვევაში აჩქარება და დისტანციებზე დამოკიდებული ძალები არ ცვლის მათ ნიშნებს. ჩანაცვლების ნიშანი ტ on - ტიცვლება სიჩქარით. შესაბამისად, ძალა, რომელიც დამოკიდებულია სიჩქარეზე, ხახუნის ძალა, ცვლის ნიშანს. სწორედ ამიტომ, როდესაც მუშაობა ხორციელდება ხახუნის ძალებით, სხეულის კინეტიკური ენერგია შეუქცევად იქცევა შინაგან ენერგიად.

ბუნებაში მიმდინარე პროცესების მიმართულება მიუთითებს თერმოდინამიკის მეორე კანონი.

თერმოდინამიკის მეორე კანონი.

თერმოდინამიკის მეორე კანონი- თერმოდინამიკის ერთ-ერთი ძირითადი კანონი, რომელიც ადგენს რეალური თერმოდინამიკური პროცესების შეუქცევადობას.

თერმოდინამიკის მეორე კანონი ბუნების კანონად ჩამოაყალიბა ნ.

გერმანელმა მეცნიერმა რ.კლაუზიუსმა კანონი ასე ჩამოაყალიბა: შეუძლებელია სითბოს გადატანა ცივი სისტემიდან ცხელ სისტემაში, ორივე სისტემაში ან მიმდებარე სხეულებში სხვა ერთდროული ცვლილებების არარსებობის შემთხვევაში.ეს ნიშნავს, რომ სითბო სპონტანურად ვერ გადადის ცივი სხეულიდან ცხელზე ( კლაუსიუსის პრინციპი).

ტომსონის ფორმულირების თანახმად, პროცესი, რომლის დროსაც მუშაობა გარდაიქმნება სითბოდ, სისტემის მდგომარეობის სხვა ცვლილებების გარეშე, შეუქცევადია, ანუ შეუძლებელია სხეულისგან მიღებული მთელი სითბოს სამუშაოდ გადაქცევა სხვა ცვლილებების გარეშე. სისტემის მდგომარეობა ( ტომსონის პრინციპი).

ყველა მექანიკური მოვლენა ხახუნის გარეშე
აქვს შემდეგი ღირსშესანიშნავი ქონება.
როგორიც არ უნდა იყოს სხეულის მექანიკური მოძრაობა,
საპირისპირო მოძრაობა ყოველთვის შესაძლებელია, რომელშიც
სხეული გადის იმავე წერტილებს სივრცეში მათთან ერთად
იგივე სიჩქარეები, რაც წინ მოძრაობისას, მაგრამ
მხოლოდ საპირისპირო მიმართულებით. ეს შექცევადობა
მექანიკური მოვლენები შეიძლება განსხვავებულად მოხდეს

ჩამოაყალიბონ თავიანთი სიმეტრია წარსულით მომავლის ჩანაცვლებასთან, ანუ დროის ნიშნის ცვლილებასთან მიმართებაში. ეს სიმეტრია თავად მოძრაობის განტოლებიდან გამომდინარეობს.

სრულიად განსხვავებული ვითარება ხდება თერმული ფენომენების სფეროში. თუ რაიმე თერმული პროცესი ხდება, მაშინ საპირისპირო პროცესი, ე.ი. პროცესი, რომელშიც ერთი და იგივე მდგომარეობები გადის, მაგრამ მხოლოდ საპირისპირო თანმიმდევრობით, როგორც წესი, შეუძლებელია. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, თერმული პროცესები, ზოგადად, პროცესებია შეუქცევადი.

როგორც წესი, შეუქცევადი პროცესების მაგალითები მოიცავს ენერგიის გადაცემას ორი სხეულის სხვადასხვა ტემპერატურასთან შეხებისას ან კოსმოსში გაზის გაფართოების პროცესს. საპირისპირო პროცესები არასდროს ხდება.

ზოგადად, თავისთვის დარჩენილი სხეულების ნებისმიერი სისტემა მიდრეკილია შევიდეს თერმული წონასწორობის მდგომარეობაში, რომელშიც სხეულები მოსვენებულნი არიან ერთმანეთთან შედარებით, აქვთ იგივე ტემპერატურა და წნევა. მიაღწია ამას

სახელმწიფო, სისტემა თავისთავად აღარ ტოვებს მას. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ყველა თერმული ფენომენი, რომელსაც თან ახლავს თერმული წონასწორობის მიახლოების პროცესები, შეუქცევადია.

პროცესის მაგალითი მაღალი ხარისხით
შექცევადია ადიაბატური გაფართოება
ან გაზის შეკუმშვა, თუ პირობები დაკმაყოფილებულია
ადიაბატურობა. იზოთერმული პროცესიც
შექცევადია, თუ განხორციელდა
საკმაოდ ნელა. "ნელი" არის
ზოგადად, შექცევადი დამახასიათებელი თვისება
პროცესები: პროცესი ასე უნდა იყოს
ნელი, ისე რომ მასში მონაწილე ორგანოები ეჩვენებათ
მოახერხა დროის ყოველ მომენტში ყოფნა
შესაბამისი წონასწორობის მდგომარეობა

არსებული გარე პირობები იმ მომენტში. ასეთ პროცესებს ე.წ კვაზი-სტატიკური.

ჩვენ უკვე აღვნიშნეთ, რომ სხეულების სისტემაში, რომლებიც თერმულ წონასწორობაში არიან, გარე ჩარევის გარეშე არ შეიძლება წარმოიშვას პროცესები. ამ გარემოებას სხვა მხარეც აქვს: შეუძლებელია რაიმე სამუშაოს შესრულება სითბურ წონასწორობაში მყოფი სხეულების დახმარებით.

ეს უაღრესად მნიშვნელოვანი განცხადება სითბურ წონასწორობაში მყოფი სხეულების ენერგიიდან სამუშაოს მიღების შეუძლებლობის შესახებ ე.წ. თერმოდინამიკის მეორე კანონი.ჩვენ მუდმივად გარშემორტყმული ვართ თერმული ენერგიის მნიშვნელოვანი მარაგებით (მაგალითად, მსოფლიო ოკეანეები). ძრავა, რომელიც იკვებება მხოლოდ გარემოს ენერგიით, პრაქტიკულად იქნება „მუდმივი მოძრაობის მანქანა“. თერმოდინამიკის მეორე კანონი გამორიცხავს აგების შესაძლებლობას, როგორც ამბობენ, მეორე სახის მუდმივი მოძრაობის მანქანა,ისევე როგორც თერმოდინამიკის პირველი კანონი (ენერგიის შენარჩუნების კანონი) გამორიცხავს აგების შესაძლებლობას პირველი ტიპის მუდმივი მოძრაობის მანქანა,რომელიც იმუშავებს „არაფრისგან“, ენერგიის გარე წყაროს გარეშე.

3. სითბოს გადაქცევა მექანიკურ სამუშაოდ

ახლა მივმართოთ პრობლემას, რომელიც, ფაქტობრივად, თავის დროზე (მე-19 საუკუნის დასაწყისი) გახდა თერმოდინამიკის, როგორც მეცნიერების წარმოშობის მიზეზი - სითბოს მექანიკურ სამუშაოდ გადაქცევის პრობლემა, ან პრობლემა. სითბოს ძრავა. სითბოს გამოყენებით მექანიკური მუშაობის წარმოების მეთოდების გამოგონება იყო ცივილიზაციის ისტორიაში ახალი ეპოქის დასაწყისი.

ფაქტია, რომ მექანიკური სამუშაო ყოველთვის შეიძლება მთლიანად გარდაიქმნას თერმულ ენერგიად (მაგალითად, ხახუნის გამო), მაგრამ თერმული ენერგიის სრული გადაქცევა მექანიკურ ენერგიად, როგორც აღმოჩნდა, შეუძლებელია.

ნებისმიერი სითბური ძრავა, რომელიც სითბოს სამუშაოდ გარდაქმნის (ორთქლის ძრავები, შიდა წვის ძრავები და ა.შ.) მუშაობს ციკლურად, ანუ მასში პერიოდულად მეორდება სითბოს გადაცემის და სამუშაოდ გადაქცევის პროცესები.

ამისათვის აუცილებელია, რომ სხეული აკეთებს მუშაობას (სამუშაო სითხე),სითბოს მიღების შემდეგ

სამუშაოს დასრულება, დაუბრუნდა პირვანდელ მდგომარეობას, რათა კვლავ დაიწყოს იგივე პროცესი.

მაგრამ ჩვენ ვიცით, რომ იმისათვის, რომ სხეულის მთლიანი მუშაობა A ციკლის განმავლობაში დადებითი იყოს, ის უნდა დაუბრუნდეს პირვანდელ მდგომარეობას P-V დიაგრამაზე ქვედა მრუდის გასწვრივ (იხ. სურ. 12.2). თუმცა, ქვედა მრუდი ზე

P-V დიაგრამა შეესაბამება უფრო დაბალ ტემპერატურას, ამიტომ სამუშაო სითხე უნდა გაცივდეს შეკუმშვის წინ.

შესაბამისად, სითბური ძრავის ციკლური მუშაობისთვის საჭიროა კიდევ ერთი, მესამე კორპუსი, რომელიც ე.წ. მაცივარიდა არის T 2 ტემპერატურაზე, გამათბობელზე დაბალი ტემპერატურა, რაც შეესაბამება თერმოდინამიკის მეორე კანონს. თერმოდინამიკის მეორე კანონიდან გამომდინარეობს, რომ მუშაობა შეუძლიათ მხოლოდ სხეულებს, რომლებიც არ არიან თერმო წონასწორობაში (გამათბობელი და მაცივარი). მაცივარი გამოაქვს გარკვეული რაოდენობის სითბოს სამუშაო სითხეს |Q 2 | (სითბო Q 2

უარყოფითი, რადგან სხეული სითბოს გამოსცემს) და აცივებს მას. რეალურ თერმოძრავებში გარემო ემსახურება როგორც მაცივარი.

სამუშაო სითხის მიერ შესრულებული მთლიანი მექანიკური სამუშაო ერთ ციკლში

და უდრის, როგორც ვიცით, ციკლის მარყუჟის ფართობს P-V დიაგრამაში (ნახ. 12.2).

ეფექტურობის ფაქტორისითბოს ძრავის n (ეფექტურობას) თანაფარდობა ეწოდება