Reverzibilné a nevratné procesy v termodynamickom zmysle. Životné procesy ako príklad nezvratných procesov
Ministerstvo železníc Ruskej federácie
Štátna dopravná univerzita na Ďalekom východe
Katedra chémie a ekológie
správa
O výpočtových a grafických prácach na tému:
Nezvratnosť procesov v prírode a šíp času
Vyplnil: študent skupiny 318
Trofimets A.A.
Skontrolované učiteľom:
Dryutskaya S.M.
Chabarovsk 2010
1. Úvod 3
2. Všeobecná charakteristika a formulácia
Druhý termodynamický zákon 4
3. Pojem entropia 8
4. Šípka času 10
5. Záver 11
6. Referencie 12
Úvod
Zákon zachovania energie hovorí, že množstvo energie počas akejkoľvek transformácie zostáva nezmenené. Ale nehovorí nič o tom, aké energetické transformácie sú možné. Medzitým mnohé procesy, ktoré sú z hľadiska zákona zachovania energie úplne prijateľné, v skutočnosti nikdy nenastanú.
Zákon zachovania energie nezakazuje procesy, ktoré sú zažité nevyskytujú sa:
- zahrievanie teplejšieho telesa chladnejším;
Spontánne výkyvy kyvadla zo stavu pokoja;
Zber piesku do kameňa atď.
Procesy v prírode majú určitý smer. Nemôžu samovoľne prúdiť opačným smerom.
Druhý termodynamický zákon, ktorý je najdôležitejším prírodným zákonom, určuje smer, ktorým prebiehajú termodynamické procesy, stanovuje možné limity premeny tepla na prácu v kruhových procesoch a umožňuje nám presne definovať pojmy ako entropia. , teplota atď.
Všeobecná charakteristika a formulácia druhého termodynamického zákona
Prírodné procesy sú vždy smerované k tomu, aby systém dosiahol rovnovážny stav (mechanický, tepelný alebo akýkoľvek iný). Tento jav sa odráža v druhom termodynamickom zákone, ktorý má tiež veľký význam pre analýzu činnosti tepelných energetických strojov. V súlade s týmto zákonom môže napríklad teplo samovoľne prechádzať iba z telesa s vyššou teplotou na teleso s nižšou teplotou. Na vykonanie opačného procesu je potrebné vynaložiť určitú prácu. V tomto ohľade môže byť druhý termodynamický zákon formulovaný takto: proces, pri ktorom by sa teplo samovoľne prenášalo z chladnejších telies na teplejšie, je nemožný(postulát Clausius, 1850).
Druhý termodynamický zákon tiež určuje podmienky, za ktorých možno teplo premieňať na prácu tak dlho, ako si želáte. V akomkoľvek otvorenom termodynamickom procese sa so zvyšujúcim sa objemom vykonáva pozitívna práca:
Kde ja som posledné dielo,
V1 a v2 sú počiatočný a konečný špecifický objem;
Proces expanzie však nemôže pokračovať donekonečna, preto je možnosť premeny tepla na prácu obmedzená.
Nepretržitá premena tepla na prácu sa uskutočňuje iba v kruhovom procese alebo cykle.
Každý elementárny proces zahrnutý v cykle sa vykonáva pri dodávaní alebo odvádzaní tepla dQ, je sprevádzané dokončením alebo výdajom práce, zvýšením alebo znížením vnútornej energie, ale vždy pri splnení podmienky dQ=dU+dL A dq=du+dl,čo ukazuje, že bez dodávky tepla ( dq=0) vonkajšia práca môže byť vykonaná len vďaka vnútornej energii systému a dodávka tepla do termodynamického systému je určená termodynamickým procesom. Integrácia s uzavretou slučkou poskytuje:
/>, />, pretože />.
Tu QC A LC- respektíve teplo premenené na prácu v cykle a prácu vykonanú pracovnou kvapalinou, čo je rozdiel | L1 | - |L2 | pozitívne a negatívne diela elementárnych procesov cyklu.
Elementárne množstvo tepla možno považovať za dodané (dQ>0) a odklonené (dQ z pracovnej tekutiny. Súčet dodaného tepla v cykle |Q1| a súčet odvedeného tepla |Q2|. Preto
LC=QC=|Q1 | - |O2 |.
Prívod množstva tepla Q1 do pracovnej tekutiny je možný za prítomnosti externého zdroja s teplotou vyššou ako je teplota pracovnej tekutiny. Tento zdroj tepla sa nazýva horúci. Odstránenie množstva tepla Q2 z pracovnej tekutiny je možné aj za prítomnosti externého zdroja tepla, avšak s teplotou nižšou ako je teplota pracovnej tekutiny. Takýto zdroj tepla sa nazýva chlad. Na dokončenie cyklu je teda potrebné mať dva zdroje tepla: jeden s vysokou teplotou, druhý s nízkou. V tomto prípade nie je možné všetko vynaložené množstvo tepla Q1 premeniť na prácu, pretože množstvo tepla Q2 sa odovzdáva studenému zdroju.
Prevádzkové podmienky tepelného motora sú nasledovné:
Potreba dvoch zdrojov tepla (teplý a studený);
Cyklická prevádzka motora;
Prenos časti množstva prijatého tepla z horúceho zdroja na studený bez premeny na prácu.
V tomto ohľade môže byť druhý zákon termodynamiky daný niekoľkými ďalšími formuláciami:
prenos tepla zo studeného zdroja na horúci nie je možný bez nákladov na prácu;
nie je možné postaviť periodicky pracujúci stroj, ktorý vykonáva prácu, a teda chladí tepelnú nádrž;
príroda sa snaží o prechod od menej pravdepodobných stavov k viac pravdepodobným.
Treba zdôrazniť, že druhý termodynamický zákon (podobne ako prvý) je formulovaný na základe skúseností.
Vo svojej najvšeobecnejšej forme môže byť druhý zákon termodynamiky formulovaný takto: každý skutočný spontánny proces je nezvratný. Všetky ostatné formulácie druhého zákona sú špeciálnymi prípadmi najvšeobecnejšej formulácie.
W. Thomson (Lord Kelvin) navrhol v roku 1851 nasledujúcu formuláciu: Nie je možné s pomocou neživého materiálneho činiteľa získať mechanickú prácu z akejkoľvek hmoty hmoty jej ochladením pod teplotu najchladnejšieho okolitého objektu.
M. Planck navrhol formuláciu, ktorá bola jasnejšia ako Thomsonova: Nie je možné postaviť periodicky pracujúci stroj, ktorého celá prevádzka by sa zredukovala na koncept určitého zaťaženia a chladenia zdroja tepla. Periodicky pracujúci stroj treba chápať ako motor, ktorý nepretržite (v cyklickom procese) premieňa teplo na prácu. V skutočnosti, ak by bolo možné postaviť tepelný stroj, ktorý by jednoducho odoberal teplo z nejakého zdroja a nepretržite (cyklicky) ho premieňal na prácu, potom by to bolo v rozpore s názorom, že prácu môže systém produkovať iba vtedy, keď neexistuje rovnováha. (najmä v súvislosti s tepelným motorom - keď existuje teplotný rozdiel medzi horúcimi a studenými zdrojmi v systéme).
Ak by neexistovali žiadne obmedzenia stanovené druhým termodynamickým zákonom, znamenalo by to, že by bolo možné postaviť tepelný stroj iba s jedným zdrojom tepla. Takýto motor by mohol fungovať chladením napríklad vody v oceáne. Tento proces mohol pokračovať, kým sa všetka vnútorná energia oceánu nepremení na prácu. Tepelný stroj, ktorý by takto fungoval, výstižne pomenoval V.F. Ostwald perpetuum mobile druhého druhu (na rozdiel od stroja na večný pohyb prvého druhu, ktorý funguje v rozpore so zákonom zachovania energie). V súlade s vyššie uvedeným možno formuláciu druhého termodynamického zákona podľa Plancka upraviť takto: implementácia perpetum mobile druhého druhu je nemožná.
Treba poznamenať, že existencia stroja na ustavičný pohyb druhého druhu nie je v rozpore s prvým zákonom termodynamiky; v tomto motore by sa totiž nevyrábala práca z ničoho, ale z vnútornej energie obsiahnutej v zdroji tepla, takže z kvantitatívnej stránky by v tomto prípade proces získavania práce z tepla nebol nemožný. Existencia takéhoto motora je však z hľadiska kvalitatívnej stránky procesu prenosu tepla medzi telesami nemožná.
Pojem entropia
Rozpor medzi premenou tepla na prácu a prácou na teplo vedie k jednostrannému smerovaniu reálnych procesov v prírode, čo odráža fyzikálny význam druhého termodynamického zákona v zákone o existencii a náraste reálnych procesov v prírode. tzv entropia
, definovanie miera odpisov energie.
Druhý termodynamický zákon sa často prezentuje ako jednotný princíp existencie a nárastu entropie.
Princíp existencie entropie je formulovaný ako matematický výraz pre entropiu termodynamických systémov v podmienkach reverzibilných procesov:
Princíp zvyšovania entropie dochádza k tvrdeniu, že entropia izolovaných systémov sa vždy zvyšuje s akoukoľvek zmenou ich stavu a zostáva konštantná iba vtedy, keď sú procesy reverzibilné:
Oba závery o existencii a náraste entropie sa získavajú na základe nejakého postulátu, ktorý odráža nezvratnosť reálnych procesov v prírode. Na dôkaz kombinovaného princípu existencie a nárastu entropie sa najčastejšie využívajú postuláty R. Clausiusa, W. Thompsona-Kelvina a M. Plancka.
V skutočnosti nemajú princípy existencie a zvyšovania entropie nič spoločné. Fyzikálny obsah: princíp existencie entropie charakterizuje termodynamické vlastnosti systémov a princíp zvyšovania entropie je najpravdepodobnejší priebeh reálnych procesov. Matematickým vyjadrením princípu existencie entropie je rovnosť a princípu nárastu je nerovnosť. Oblasti použitia: na štúdium fyzikálnych vlastností látok sa využíva princíp existencie entropie a z nej vyplývajúce dôsledky a na posudzovanie najpravdepodobnejšieho priebehu fyzikálnych javov princíp zvyšovania entropie. Iný je aj filozofický význam týchto princípov.
V tomto ohľade sa princípy existencie a nárastu entropie posudzujú oddelene a ich matematické vyjadrenia pre ľubovoľné telesá sa získavajú na základe rôznych postulátov.
Záver o existencii absolútnej teploty T a entropie s ako termodynamických funkcií stavu ľubovoľných telies a sústav je hlavným obsahom druhého termodynamického zákona a platí pre akékoľvek procesy – vratné aj nevratné.
Šípka času
Vo všetkých procesoch je zvolený smer, v ktorom procesy samy postupujú z viac usporiadaného stavu do menej usporiadaného.
Čím viac poriadku je v systéme, tým ťažšie je obnoviť ho z neporiadku. Rozbiť sklo je neporovnateľne jednoduchšie ako vyrobiť nové a vložiť ho do rámu. Je oveľa jednoduchšie zabiť živého tvora, ako ho priviesť späť k životu, ak je to vôbec možné. „Boh stvoril malého chrobáčika. Ak ho rozdrvíte, zomrie,“ to je epigraf, ktorý napísal americký biochemik Szent Gyorgi do svojej knihy „Bioenergetika“.
Zvolený smer času („šípka času“), ktorý vnímame, zjavne súvisí práve so smerovaním procesov vo svete.
Záver
Vzhľadom na to, že kontinuálna výroba práce z tepla je možná len vtedy, ak sa časť tepla odobratého z horúceho zdroja prenesie do studeného zdroja, treba zdôrazniť dôležitú vlastnosť tepelných procesov: mechanická práca, elektrická práca, práca magnetickej sily atď. možno premeniť na teplo bez akýchkoľvek zvyškov.Čo sa týka tepla, len jeho časť sa môže premeniť v periodicky sa opakujúcom procese na mechanické a iné druhy práce; jeho ďalšia časť sa musí nevyhnutne preniesť do zdroja chladu. Táto najdôležitejšia vlastnosť tepelných procesov určuje špeciálne postavenie, ktoré zaujíma proces získavania práce z tepla akýchkoľvek iných metód získavania práce (napríklad získavanie mechanickej práce v dôsledku kinetickej energie tela, získavanie elektriny v dôsledku mechanickej práce , produkujúce prácu magnetickým poľom v dôsledku elektriny atď. .d.). Pri každej z týchto metód premeny sa časť energie musí minúť na nevyhnutné nezvratné straty, ako je trenie, elektrický odpor, magnetická viskozita atď., ktoré sa premenia na teplo.
Bibliografia:
G.Ya. Myakishev, A.Z. Sinyakov. Molekulárna fyzika a termodynamika. Učebnica pre pokročilé štúdium fyziky, 2002
Kirillin V.A. a iné.Technická termodynamika: Učebnica pre vysoké školy.- 4. vyd., preprac.- M.: Energoatomizdat, 1983.
Základy vykurovacej techniky / V.S. Ochotin, V.F. Zhidkikh, V.M. Lavygin a kol.- M.: Vyššia škola, 1984.
Porshakov B.P., Romanov B.A. Základy termodynamiky a tepelného inžinierstva - M.: Nedra, 1988.
Tepelné inžinierstvo /vyd. IN AND. Krutová.- M.: Strojárstvo, 1986
Tepelná energetika a vykurovanie. Všeobecné otázky (príručka). - M.: Energia, 1980.
Ako vznikajú nezvratné procesy? Vo svete sa každý deň deje množstvo udalostí. Môžu byť celkom bežné a trvalé, alebo môžu mať nezvratné následky. Práve o týchto udalostiach sa bude diskutovať v článku nižšie.
Pojem a definícia
Ireverzibilné procesy sú nemenné, často regresívne procesy. Môžu sa vyskytnúť v absolútne akejkoľvek oblasti ľudského života. Ale podľa vedcov sú najdôležitejšie podobné procesy v prírode. Žiaľ, takýchto príkladov je veľa. V tomto článku však upozorníme na tie najzákladnejšie. Majú tendenciu predstavovať rozsiahle environmentálne problémy.
Vymieranie zvierat, ničenie rastlín
Je celkom rozumné povedať, že vyhynutie rôznych živočíšnych druhov je prirodzený proces evolúcie.
Podľa Google každý rok svet stráca 1 až 10 druhov zvierat a asi 1-2 druhy vtákov. Okrem toho má zmiznutie tendenciu narastať. Pretože podľa rovnakej štatistiky oficiálne hrozí vyhynutie asi 600 druhom.
Ide teda o úplne nezvratné procesy prebiehajúce vo svete zvierat a rastlín. Hlavnými dôvodmi sú nasledujúce faktory:
- Znečistenie, emisie a iné negatívne vplyvy na životné prostredie.
- Používanie chemických zlúčenín v poľnohospodárstve, ktoré znemožňuje existenciu určitých druhov zvierat a rastlín v takýchto oblastiach.
- Neustály pokles množstva potravy pre zvieratá, spojený napríklad s odlesňovaním.
Vyčerpanie Zeme
Každý deň každý človek na planéte využíva minerálnu energiu. Či už je to ropa, plyn, uhlie, alebo iné potrebné zdroje elektriny. Tu máte nový nezvratný proces - vyčerpanie „pokladov“ našej planéty. Vedci sa domnievajú, že hlavným dôvodom tejto regresie je neustály rast populácie.
Pribúda ľudí a podľa toho rastie aj spotreba a dopyt. Spolu s nárastom dopytu kritici tiež poukazujú na to, že neustále vyčerpávanie minerálnych nádrží povedie k nevyhnutnej zmene klímy. A to, ako vieme, bude znamenať ešte väčšie problémy, ako si vieme predstaviť.
Ako povedal Thor Heyerdahl:
Mŕtvy oceán - mŕtva Zem.
Vo svojom vyjadrení mal úplnú pravdu, naznačil jeden z príkladov nezvratných procesov – absolútne nečestné správanie ľudí vo vzťahu nielen k oceánu, ale aj k prírode ako celku.
V 20. storočí sa stalo známe, že Svetový oceán patrí všetkým. Najmä to ho priviedlo do stavu, v ktorom je teraz. Hlavná vec je, že je to tiež nezvratný proces - negramotné využívanie svojich zdrojov, ako aj to, že Svetový oceán neznesie celú záťaž atmosféry, do ktorej ľudstvo denne produkuje emisie. Ale o tom viac v ďalšej kapitole.
Nezvratné procesy v prírode často pokrývajú najglobálnejšie a najzávažnejšie oblasti nášho života. Uvoľňovanie chemikálií do atmosféry je skutočne dôležitým problémom. Následky takýchto emisií sú také nebezpečné, že v roku 1948 zahalila štát Pensylvánia (USA) mimoriadne hustá hmla. V meste Donora vtedy žilo asi 14 000 ľudí.
Podľa historických prameňov z týchto 14 tisíc ochorelo asi 6 tisíc ľudí. Hmla bola taká hustá, že bolo takmer nemožné rozoznať cestu. Začali aktívne kontaktovať lekárov so sťažnosťami na nevoľnosť, bolesť očí a závraty. Po nejakom čase zomrelo 20 ľudí.
Hromadne zomierali aj psy, vtáky, mačky – tí, ktorí nenašli úkryt pred dusivou hmlou. Nie je ťažké uhádnuť, že príčinou tohto javu nebol nikto iný ako emisie do atmosféry. Vedci tvrdia, že za situáciu môže nesprávne rozloženie teploty vzduchu v oblasti v dôsledku používania chemikálií.
Problémy s ozónovou vrstvou
Po mnoho storočí ľudia ani netušili existenciu takého fenoménu, akým je ozónová vrstva (až do roku 1873 - vtedy ju objavil vedec Schönbein). To však nezabránilo ľudstvu, aby malo veľmi škodlivý vplyv na ozónovú vrstvu. Dôvody jeho zničenia sú na prekvapenie mnohých celkom jednoduché, ale presvedčivé:
V súčasnosti je aktuálny problém ničenia ozónovej vrstvy. Ľudia uvažujú o tom, ako používať menej freónov a aktívne hľadajú ich náhrady. Existuje aj veľa dobrovoľníkov, ktorí súhlasia s pomocou vedcom a idú do vedy, aby šetrili životné prostredie.
Ľudský „príspevok“ k prírodnej krajine
Sú dve kategórie ľudí. Pre niekoho je dôležitá ochrana životného prostredia, pre iného je to naopak. Bohužiaľ prevláda deštrukcia. Prostredie, ktoré vplyvom ľudskosti už nie je vhodné pre život, sa považuje za úplne zdeformované. A takých ľudí je v dnešnej dobe veľké množstvo. Zmeny v prírodnej krajine sú v podstate odlesňovanie, v dôsledku ktorého vyhynú zvieratá, miznú rastliny, vtáky atď.
Obnova postihnutej oblasti po tomto je mimoriadne náročná a spravidla to takmer nikto nerobí. Mnohé organizácie zaoberajúce sa obnovou prírody vedia, aké procesy sa nazývajú nezvratné. Bude však ich sila stačiť na zachovanie celej našej ekológie?
Ako zabrániť nevyhnutnému?
Nie nadarmo sa tak nazývajú globálne problémy – nemajú tendenciu sa vracať. Svetu sa však dá poskytnúť veľká pomoc, aby tieto procesy naďalej nemali škodlivý vplyv na životné prostredie. Je mnoho spôsobov, ako pomôcť prírode. Všetci sú už dávno známi, no nedá sa o nich nerozprávať.
- Politický spôsob. Znamená to vytvorenie zákonov na ochranu životného prostredia, na jeho ochranu. Mnohé krajiny už majú veľa takýchto zákonov. Ľudstvo však potrebuje účinné, a to doslova, také, ktoré nás prinútia zastaviť sa a nezničiť si vlastný biotop.
- organizácie. Áno, dnes existujú environmentálne organizácie. Ale tiež by bolo pekné uistiť sa, že každý má možnosť zúčastniť sa ich akcií.
- Ekologickým spôsobom. Najjednoduchšie je vysadiť les. Stromy, kríky, sadenice a rozmnožovanie rôznych rastlín je veľmi základná úloha, ktorá však môže mať hlboký vplyv na prírodu.
Holzerova biocenóza
Obyčajný človek, nie botanik či vedec najvyššej kategórie, ale len obyčajný farmár vytvoril biocenózu. Podstatou je zabezpečiť existenciu rýb, hmyzu, zvierat, rastlín na určitom mieste bez toho, aby sa prakticky podieľali na ich vývoji. Na mäso, ovocie a iné produkty tak stojí celé Rakúsko. Dokázal príkladom, že ak nezasahujete do vývoja prírody, prinesie to len výhody. Takzvaná harmónia s prírodou je cieľom, o ktorý by sa mal každý na tomto svete snažiť.
závery
Ľudstvo je zvyknuté konať podľa zásady: Vidím cieľ – nevidím prekážky. Aj keď to vedie k takým globálnym problémom (ak s tým už nezačalo), že ľudstvo samo zmizne. V snahe dosiahnuť svoje ciele a zabezpečiť si vlastné pohodlie si nevšímame, ako sa ničí všetko okolo nás. Koľko ľudí sa po prečítaní tohto článku bude čudovať, ktoré procesy sú nezvratné?
Ak neprekonáme proces myslenia moderných ľudí, príroda bude už o pár rokov čeliť skutočnému nebezpečenstvu. Je škoda, že žijeme vo svete, kde vlastný prospech prevláda nad stavom sveta okolo nás.
Zákon zachovania energie hovorí, že množstvo energie v akomkoľvek procese zostáva nezmenené. Ale nehovorí nič o tom, aké energetické transformácie sú možné.
Zachovanie Z-energie nezakazuje, procesy, ktoré sú zažité nevyskytujú sa:
Ohrev teplejšieho telesa chladnejším;
Spontánne výkyvy kyvadla zo stavu pokoja;
Zber piesku do kameňa atď.
Procesy v prírode majú určitý smer. Nemôžu samovoľne prúdiť opačným smerom. Všetky procesy v prírode sú nezvratné(starnutie a smrť organizmov).
Nezvratné proces možno nazvať takým procesom, ktorého opak môže nastať len ako jeden z článkov zložitejšieho procesu. Spontánna Sú to procesy, ktoré prebiehajú bez vplyvu vonkajších telies, a teda bez zmien v týchto telesách).
Procesy prechodu systému z jedného stavu do druhého, ktoré sa môžu uskutočňovať v opačnom smere prostredníctvom rovnakej postupnosti prechodných rovnovážnych stavov, sa nazývajú reverzibilné. V tomto prípade sa samotný systém a okolité telesá úplne vrátia do pôvodného stavu.
Druhý termodynamický zákon udáva smer možných energetických premien a tým vyjadruje nezvratnosť procesov v prírode. Vznikol priamym zovšeobecnením experimentálnych faktov.
Formulácia R. Clausiusa: je nemožné preniesť teplo z chladnejšej sústavy do teplejšej pri absencii súčasných zmien v oboch sústavách alebo okolitých telesách.
Formulácia W. Kelvina: je nemožné uskutočniť taký periodický proces, ktorého jediným výsledkom by bola produkcia práce vďaka teplu odoberanému z jedného zdroja.
nemožné tepelný perpetum mobile druhého druhu, t.j. motor, ktorý vykonáva mechanickú prácu chladením akéhokoľvek jedného tela.
Vysvetlenie nezvratnosti procesov v prírode má štatistickú (pravdepodobnostnú) interpretáciu.
Čisto mechanické procesy (bez zohľadnenia trenia) sú reverzibilné, t.j. sú invariantné (nemenia sa) pri nahradení t→ -t. Pohybové rovnice každej jednotlivej molekuly sú tiež invariantné vzhľadom na transformáciu času, od r obsahujú iba sily závislé od vzdialenosti. To znamená, že dôvodom nezvratnosti procesov v prírode je, že makroskopické telesá obsahujú veľmi veľké množstvo častíc.
Makroskopický stav charakterizujú viaceré termodynamické parametre (tlak, objem, teplota atď.). Mikroskopický stav je charakterizovaný špecifikovaním súradníc a rýchlostí (momentov) všetkých častíc, ktoré tvoria systém. Jeden makroskopický stav môže byť realizovaný obrovským počtom mikrostavov.
Označme: N je celkový počet stavov systému, N 1 je počet mikrostavov, ktoré realizujú daný stav, w je pravdepodobnosť daného stavu.
Čím väčšie N1, tým väčšia pravdepodobnosť daného makrostavu, t.j. tým dlhšie zostane systém v tomto stave. Vývoj systému prebieha v smere od nepravdepodobných stavov k pravdepodobnejším. Pretože Mechanický pohyb je usporiadaný pohyb a tepelný pohyb je chaotický, potom sa mechanická energia mení na tepelnú energiu. Pri prenose tepla je menej pravdepodobný stav, v ktorom má jedno teleso vyššiu teplotu (molekuly majú vyššiu priemernú kinetickú energiu), ako stav, v ktorom sú teploty rovnaké. Preto proces výmeny tepla prebieha v smere vyrovnávania teplôt.
Entropia - miera neporiadku. S - entropia.
kde k je Boltzmannova konštanta. Táto rovnica odhaľuje štatistický význam zákonov termodynamiky. Množstvo entropie vo všetkých ireverzibilných procesoch sa zvyšuje. Z tohto pohľadu je život neustálym bojom o zníženie entropie. Entropia súvisí s informáciou, pretože informácie vedú k poriadku (ak veľa viete, čoskoro zostarnete).
Ministerstvo železníc Ruskej federácie
Štátna dopravná univerzita na Ďalekom východe
Katedra chémie a ekológie
O výpočtových a grafických prácach na tému:
Nezvratnosť procesov v prírode a šíp času
Vyplnil: študent skupiny 318
Trofimets A.A.
Skontrolované učiteľom:
Dryutskaya S.M.
Chabarovsk 2010
1.Úvod 3
2. Všeobecná charakteristika a formulácia
druhý termodynamický zákon 4
3. Pojem entropia 8
4. Šípka času 10
5. Záver 11
6. Referencie 12
Úvod
Zákon zachovania energie hovorí, že množstvo energie počas akejkoľvek transformácie zostáva nezmenené. Ale nehovorí nič o tom, aké energetické transformácie sú možné. Medzitým mnohé procesy, ktoré sú z hľadiska zákona zachovania energie úplne prijateľné, v skutočnosti nikdy nenastanú.
Zákon zachovania energie nezakazuje procesy, ktoré sú zažité nevyskytujú sa:
- zahrievanie teplejšieho telesa chladnejším;
Spontánne výkyvy kyvadla zo stavu pokoja;
Zber piesku do kameňa atď.
Procesy v prírode majú určitý smer. Nemôžu samovoľne prúdiť opačným smerom.
Druhý termodynamický zákon, ktorý je najdôležitejším prírodným zákonom, určuje smer, ktorým prebiehajú termodynamické procesy, stanovuje možné limity premeny tepla na prácu v kruhových procesoch a umožňuje nám presne definovať pojmy ako entropia. , teplota atď.
Všeobecná charakteristika a formulácia druhého termodynamického zákona
Prírodné procesy sú vždy smerované k tomu, aby systém dosiahol rovnovážny stav (mechanický, tepelný alebo akýkoľvek iný). Tento jav sa odráža v druhom termodynamickom zákone, ktorý má tiež veľký význam pre analýzu činnosti tepelných energetických strojov. V súlade s týmto zákonom môže napríklad teplo samovoľne prechádzať iba z telesa s vyššou teplotou na teleso s nižšou teplotou. Na vykonanie opačného procesu je potrebné vynaložiť určitú prácu. V tomto ohľade môže byť druhý termodynamický zákon formulovaný takto: proces, pri ktorom by sa teplo samovoľne prenášalo z chladnejších telies na teplejšie, je nemožný(postulát Clausius, 1850).
Druhý termodynamický zákon tiež určuje podmienky, za ktorých možno teplo premieňať na prácu tak dlho, ako si želáte. V akomkoľvek otvorenom termodynamickom procese sa so zvyšujúcim sa objemom vykonáva pozitívna práca:
,
kde som posledné dielo,
vi a v2 sú počiatočný a konečný špecifický objem;
ale proces expanzie nemôže pokračovať donekonečna, preto je možnosť premeny tepla na prácu obmedzená.
Nepretržitá premena tepla na prácu sa uskutočňuje iba v kruhovom procese alebo cykle.
Každý elementárny proces zahrnutý v cykle sa vykonáva pri dodávaní alebo odvádzaní tepla dQ, je sprevádzané dokončením alebo výdajom práce, zvýšením alebo znížením vnútornej energie, ale vždy pri splnení podmienky dQ=dU+dL A dq=du+dl,čo ukazuje, že bez dodávky tepla ( dq=0) vonkajšia práca môže byť vykonaná len vďaka vnútornej energii systému a dodávka tepla do termodynamického systému je určená termodynamickým procesom. Integrácia s uzavretou slučkou poskytuje:
,
, pretože .
Tu Q C A L C - respektíve teplo premenené na prácu v cykle a prácu vykonanú pracovnou kvapalinou, čo je rozdiel | L 1 | - |L 2 | pozitívne a negatívne diela elementárnych procesov cyklu.
Elementárne množstvo tepla možno považovať za dodané (dQ>0) a odklonené (dQ<0) z pracovnej tekutiny. Súčet tepla dodaného v cykle |Q 1 | a súčet tepla odobraného |Q 2 |. teda
L C =Q C =|Q 1 | - |O 2 |.
Prívod množstva tepla Q 1 do pracovnej tekutiny je možný za prítomnosti externého zdroja s teplotou vyššou ako je teplota pracovnej tekutiny. Tento zdroj tepla sa nazýva horúci. Odstránenie množstva tepla Q 2 z pracovnej tekutiny je možné aj za prítomnosti vonkajšieho zdroja tepla, avšak s teplotou nižšou ako je teplota pracovnej tekutiny. Takýto zdroj tepla sa nazýva chlad. Na dokončenie cyklu je teda potrebné mať dva zdroje tepla: jeden s vysokou teplotou, druhý s nízkou. V tomto prípade nie je možné všetko vynaložené množstvo tepla Q 1 premeniť na prácu, pretože množstvo tepla Q 2 sa odovzdáva studenému zdroju.
Prevádzkové podmienky tepelného motora sú nasledovné:
potreba dvoch zdrojov tepla (teplý a studený);
cyklická prevádzka motora;
prenos časti množstva prijatého tepla z horúceho zdroja na studený bez jeho premeny na prácu.
V tomto ohľade môže byť druhý zákon termodynamiky daný niekoľkými ďalšími formuláciami:
prenos tepla zo studeného zdroja na horúci nie je možný bez nákladov na prácu;
nie je možné postaviť periodicky pracujúci stroj, ktorý vykonáva prácu, a teda chladí tepelnú nádrž;
príroda sa snaží o prechod od menej pravdepodobných stavov k viac pravdepodobným.
Treba zdôrazniť, že druhý termodynamický zákon (podobne ako prvý) je formulovaný na základe skúseností.
Vo svojej najvšeobecnejšej forme môže byť druhý zákon termodynamiky formulovaný takto: každý skutočný spontánny proces je nezvratný. Všetky ostatné formulácie druhého zákona sú špeciálnymi prípadmi najvšeobecnejšej formulácie.
W. Thomson (Lord Kelvin) navrhol v roku 1851 nasledujúcu formuláciu: Nie je možné s pomocou neživého materiálneho činiteľa získať mechanickú prácu z akejkoľvek hmoty hmoty jej ochladením pod teplotu najchladnejšieho okolitého objektu.
M. Planck navrhol formuláciu, ktorá bola jasnejšia ako Thomsonova: Nie je možné postaviť periodicky pracujúci stroj, ktorého celá prevádzka by sa zredukovala na koncept určitého zaťaženia a chladenia zdroja tepla. Periodicky pracujúci stroj treba chápať ako motor, ktorý nepretržite (v cyklickom procese) premieňa teplo na prácu. V skutočnosti, ak by bolo možné postaviť tepelný stroj, ktorý by jednoducho odoberal teplo z nejakého zdroja a nepretržite (cyklicky) ho premieňal na prácu, potom by to bolo v rozpore s názorom, že prácu môže systém produkovať iba vtedy, keď neexistuje rovnováha. (najmä v súvislosti s tepelným motorom - keď existuje teplotný rozdiel medzi horúcimi a studenými zdrojmi v systéme).
Ak by neexistovali žiadne obmedzenia stanovené druhým termodynamickým zákonom, znamenalo by to, že by bolo možné postaviť tepelný stroj iba s jedným zdrojom tepla. Takýto motor by mohol fungovať chladením napríklad vody v oceáne. Tento proces mohol pokračovať, kým sa všetka vnútorná energia oceánu nepremení na prácu. Tepelný stroj, ktorý by takto fungoval, výstižne pomenoval V.F. Ostwald perpetuum mobile druhého druhu (na rozdiel od stroja na večný pohyb prvého druhu, ktorý funguje v rozpore so zákonom zachovania energie). V súlade s vyššie uvedeným možno formuláciu druhého termodynamického zákona podľa Plancka upraviť takto: implementácia perpetum mobile druhého druhu je nemožná.
Treba poznamenať, že existencia stroja na ustavičný pohyb druhého druhu nie je v rozpore s prvým zákonom termodynamiky; v tomto motore by sa totiž nevyrábala práca z ničoho, ale z vnútornej energie obsiahnutej v zdroji tepla, takže z kvantitatívnej stránky by v tomto prípade proces získavania práce z tepla nebol nemožný. Existencia takéhoto motora je však z hľadiska kvalitatívnej stránky procesu prenosu tepla medzi telesami nemožná.
Pojem entropia
Rozpor medzi premenou tepla na prácu a prácou na teplo vedie k jednostrannému smerovaniu reálnych procesov v prírode, čo odráža fyzikálny význam druhého termodynamického zákona v zákone o existencii a náraste reálnych procesov v prírode. tzv entropia , definovanie miera odpisov energie.
Druhý termodynamický zákon sa často prezentuje ako jednotný princíp existencie a nárastu entropie.
Princíp existencie entropie je formulovaný ako matematický výraz pre entropiu termodynamických systémov v podmienkach reverzibilných procesov:
.
Princíp zvyšovania entropie dochádza k tvrdeniu, že entropia izolovaných systémov sa vždy zvyšuje s akoukoľvek zmenou ich stavu a zostáva konštantná iba vtedy, keď sú procesy reverzibilné:
Oba závery o existencii a náraste entropie sa získavajú na základe nejakého postulátu, ktorý odráža nezvratnosť reálnych procesov v prírode. Na dôkaz kombinovaného princípu existencie a nárastu entropie sa najčastejšie využívajú postuláty R. Clausiusa, W. Thompsona-Kelvina a M. Plancka.
V skutočnosti nemajú princípy existencie a zvyšovania entropie nič spoločné. Fyzikálny obsah: princíp existencie entropie charakterizuje termodynamické vlastnosti systémov a princíp zvyšovania entropie je najpravdepodobnejší priebeh reálnych procesov. Matematickým vyjadrením princípu existencie entropie je rovnosť a princípu nárastu je nerovnosť. Oblasti použitia: na štúdium fyzikálnych vlastností látok sa využíva princíp existencie entropie a z nej vyplývajúce dôsledky a na posudzovanie najpravdepodobnejšieho priebehu fyzikálnych javov princíp zvyšovania entropie. Iný je aj filozofický význam týchto princípov.
V tomto ohľade sa princípy existencie a nárastu entropie posudzujú oddelene a ich matematické vyjadrenia pre ľubovoľné telesá sa získavajú na základe rôznych postulátov.
Záver o existencii absolútnej teploty T a entropie s ako termodynamických funkcií stavu ľubovoľných telies a sústav je hlavným obsahom druhého termodynamického zákona a platí pre akékoľvek procesy – vratné aj nevratné.
Šípka času
Vo všetkých procesoch je zvolený smer, v ktorom procesy samy postupujú z viac usporiadaného stavu do menej usporiadaného.
Čím viac poriadku je v systéme, tým ťažšie je obnoviť ho z neporiadku. Rozbiť sklo je neporovnateľne jednoduchšie ako vyrobiť nové a vložiť ho do rámu. Je oveľa jednoduchšie zabiť živého tvora, ako ho priviesť späť k životu, ak je to vôbec možné. „Boh stvoril malého chrobáčika. Ak ho rozdrvíte, zomrie,“ to je epigraf, ktorý napísal americký biochemik Szent Gyorgi do svojej knihy „Bioenergetika“.
Zvolený smer času („šípka času“), ktorý vnímame, zjavne súvisí práve so smerovaním procesov vo svete.
Záver
Vzhľadom na to, že kontinuálna výroba práce z tepla je možná len vtedy, ak sa časť tepla odobratého z horúceho zdroja prenesie do studeného zdroja, treba zdôrazniť dôležitú vlastnosť tepelných procesov: mechanická práca, elektrická práca, práca magnetickej sily atď. možno premeniť na teplo bez akýchkoľvek zvyškov.Čo sa týka tepla, len jeho časť sa môže premeniť v periodicky sa opakujúcom procese na mechanické a iné druhy práce; jeho ďalšia časť sa musí nevyhnutne preniesť do zdroja chladu. Táto najdôležitejšia vlastnosť tepelných procesov určuje špeciálne postavenie, ktoré zaujíma proces získavania práce z tepla akýchkoľvek iných metód získavania práce (napríklad získavanie mechanickej práce v dôsledku kinetickej energie tela, získavanie elektriny v dôsledku mechanickej práce , produkujúce prácu magnetickým poľom v dôsledku elektriny atď. .d.). Pri každej z týchto metód premeny sa časť energie musí minúť na nevyhnutné nezvratné straty, ako je trenie, elektrický odpor, magnetická viskozita atď., ktoré sa premenia na teplo.
Bibliografia:
G.Ya. Myakishev, A.Z. Sinyakov. Molekulárna fyzika a termodynamika. Učebnica pre pokročilé štúdium fyziky, 2002
Kirillin V.A. a iné.Technická termodynamika: Učebnica pre vysoké školy.- 4. vyd., preprac.- M.: Energoatomizdat, 1983.
Základy vykurovacej techniky / V.S. Ochotin, V.F. Zhidkikh, V.M. Lavygin a kol.- M.: Vyššia škola, 1984.
Porshakov B.P., Romanov B.A. Základy termodynamiky a tepelného inžinierstva - M.: Nedra, 1988.
Tepelné inžinierstvo /vyd. IN AND. Krutová.- M.: Strojárstvo, 1986
Tepelná energetika a vykurovanie. Všeobecné otázky (príručka). - M.: Energia, 1980.
Druhý termodynamický zákon uvádza fakt nezvratnosti procesov v prírode, ale neposkytuje žiadne vysvetlenie. Toto vysvetlenie možno získať iba na základe teórie molekulárnej kinetiky a zďaleka nie je jednoduché.
Rozpor medzi vratnosťou mikroprocesov a nevratnosťou makroprocesov
Nevratnosť makroprocesov vyzerá paradoxne, pretože všetky mikroprocesy sú v čase reverzibilné. Pohybové rovnice jednotlivých mikročastíc, klasických aj kvantových, sú časovo reverzibilné, pretože neobsahujú žiadne trecie sily závislé od rýchlosti. Trecia sila je makroskopický efekt interakcie veľkého telesa s obrovským množstvom molekúl v prostredí a samotný výskyt tejto sily si vyžaduje vysvetlenie. Sily, prostredníctvom ktorých mikročastice interagujú (predovšetkým elektromagnetické sily), sú časovo reverzibilné. Maxwellove rovnice popisujúce elektromagnetické interakcie sa pri výmene nemenia t na - t.
Ak vezmeme najjednoduchší model plynu - súbor elastických guľôčok, potom plyn ako celok bude vykazovať určité smerové správanie. Napríklad, keď je stlačený v polovici nádoby, začne sa rozširovať a zaberá celú nádobu. Už sa to nezmenší. Pohybové rovnice každej molekuly-guličky sú časovo reverzibilné, pretože obsahujú iba sily, ktoré závisia od vzdialenosti a objavujú sa pri zrážke molekúl.
Úlohou teda nie je len vysvetliť vznik nevratnosti, ale aj zosúladiť fakt zvratnosti mikroprocesov s faktom ireverzibilnosti makroprocesov.
Zásluhu na nájdení zásadne správneho prístupu k riešeniu tohto problému má Boltzmann. Pravda, niektoré aspekty problému nezvratnosti ešte nedostali komplexné riešenie.
Každodenný príklad nezvratnosti
Uveďme jednoduchý každodenný príklad, ktorý napriek svojej triviálnosti priamo súvisí s Boltzmannovým riešením problému nezvratnosti.
Povedzme, že v pondelok sa rozhodnete začať nový život. Nevyhnutnou podmienkou na to je zvyčajne ideálny alebo takmer ideálny poriadok na stole. Všetky predmety a knihy umiestnite na presne určené miesta a na vašom stole je stav, ktorý možno právom nazvať stavom „poriadku“.
Čo bude časom, je dobre známe. Zabudnete ukladať predmety a knihy na presne vymedzené miesta a na stole vládne stav chaosu. Nie je ťažké pochopiť, prečo sa to deje. Stavu „poriadku“ zodpovedá len jedno konkrétne usporiadanie objektov a stavu „chaosu“ neporovnateľne väčšiemu počtu. A akonáhle začnú predmety obsadzovať ľubovoľné pozície neriadené vašou vôľou, na stole zákonite vzniká pravdepodobnejší stav chaosu, realizovaný oveľa väčším počtom rozmiestnení predmetov na stole.
V zásade sú to presne tie úvahy, ktoré Boltzmann predložil na vysvetlenie nezvratnosti makroprocesov.
Mikroskopické a makroskopické stavy
V prvom rade je potrebné rozlišovať medzi makroskopickým stavom systému a jeho mikroskopickým stavom.
Makroskopický stav je charakterizovaný malým počtom termodynamických parametrov (tlak, objem, teplota atď.), ako aj takých mechanických veličín ako poloha ťažiska, rýchlosť ťažiska atď. makroskopické veličiny, ktoré charakterizujú štát ako celok, ktoré majú praktický význam.
Mikroskopický stav je vo všeobecnom prípade charakterizovaný špecifikovaním súradníc a rýchlostí (alebo hybností) všetkých častíc, ktoré tvoria systém (makroskopické teleso). Ide o neporovnateľne podrobnejšiu charakteristiku systému, ktorého znalosť nie je vôbec potrebná na popis procesov s makroskopickými telesami. Navyše znalosť mikrostavu je prakticky nedosiahnuteľná kvôli obrovskému počtu častíc, ktoré tvoria makrotelieska.
Vo vyššie uvedenom každodennom príklade s predmetmi na stole si môžeme predstaviť pojmy mikro- a makrostavy. Mikrostav zodpovedá jednému konkrétnemu usporiadaniu objektov a makrostav zodpovedá hodnoteniu situácie ako celku: buď „poriadok“, alebo „chaos“.
Je celkom zrejmé, že určitý makrostav môže byť realizovaný obrovským množstvom rôznych mikrostavov. Takže napríklad prechod jednej molekuly z daného bodu v priestore do iného bodu alebo zmena jej rýchlosti v dôsledku kolízie mení mikrostav systému, ale, samozrejme, nemení termodynamické parametre a napr. , teda makrostav systému.
Teraz predstavme hypotézu, ktorá nie je taká zrejmá ako predchádzajúce tvrdenia: všetky mikroskopické stavy uzavretého systému sú rovnako pravdepodobné; žiadna z nich nie je vyčlenená ani nezastáva prevládajúcu pozíciu. Tento predpoklad je v skutočnosti ekvivalentný hypotéze o chaotickej povahe tepelného pohybu molekúl.
