План уроку

1.Необоротні процеси

2.Другий закон термодинаміки

1.Необоротні процеси

Багато які механічні процеси бувають оборотними, тобто можуть протікати в обох напрямах у часі. Гарним прикладом оборотного процесу є коливання вантажу на нитці або на пружині, коли амплітуда коливань практично не змінюється. Якщо зняти цей процес на кіноплівку і під час перегляду крутити «кіно навпаки», глядачі не помітять «звернення часу» і будуть вважати, що наримуватися реальний процес.

Однак, далеко не всі механічні процеси зворотні. Наприклад, якщо штовхнути брусок, що лежить на столі, то він якийсь час буде рухатися по столу, набираючи швидкість, а потім зупиниться. Цей процес необоротний, тобто він може протікати тільки в одному напрямі в часі. У цьому випадку «кіно навпаки» буде схоже на диво: брусок, що лежить на столі, раптом сам зрушить з місця і почне ковзати по столу, набираючи швидкість.

Чому ж такого насправді не буває? Може, така поведінка бруска суперечить закону збереження енергії: звідки брусок отримував би енергію для розгону? Доведемо, що закон збереження енергії в такому уявному процесі не порушується. Якщо вимірювати в ході процесу температури бруска і столу, ми побачимо, що при «справжньому» русі брусок зупинився, але температури бруска і столу трохи збільшилися, тобто внаслідок тертя механічна енергія перейшла у внутрішню. А що буде в «кіно навпаки»? Брусок, що лежить на столі, приходить в рух і рухається зі швидкістю, яка збільшується, але при цьому температури столу і бруска зменшуються. Тому в такому уявному процесі протиріччя у законі збереження енергії немає: внутрішня енергія переходить у механічну і повна енергія зберігається.

Приклад незворотного процесу в теплових явищах — теплопередача. Якщо привести в контакт два тіла з різною температурою, їх температури почнуть вирівнюватися. Ніхто і ніколи не спостерігав, щоб при теплопередачі гаряче тіло ставало б ще гарячішим, а холодне охолоджувалося до більш низької температури. Але ж при такому нереальному процесі закон збереження енергії теж не порушувався б: адже сумарна внутрішня енергія обох тіл залишалася б незмінною.

Отже, ми бачимо, що закон збереження енергії (перший закон термодинаміки) не визначає напрями процесу в часі.

2.Другий закон термодинаміки

Другий закон (друге начало) термодинаміки:

— Неможливо здійснити такий періодичний процес, єдиним наслідком якого було б повне перетворення на роботу теплоти, отримуваної від нагрівача (формулювання Кельвіна).

— Неможливий процес, єдиним результатом якого є передача енергії у формі теплоти від менш нагрітого тіла до більш нагрітого (формулювання Клаузіуса).

— Вічний двигун другого роду неможливий, тобто двигун, ККД якого при перетворенні теплоти на роботу дорівнює 100 % (формулювання Карно).

Упорядкований рух може переходити в неупорядкований спонтанно (природний процес) — це, наприклад, перетворення механічної енергії на теплову. Зворотний процес спонтанно відбуватися не може (необоротний процес), але він можливий за умови виконання роботи зовнішніми силами.

Друге начало термодинаміки визначає спрямованість процесу, його ймовірність. Імовірність події вимірюється відношенням кількості способів її здійснення до кількості способів здійснення всіх можливих подій.

Ентропія — це функція, що характеризує міру хаотичності в системі, яка перебуває у стані, імовірність здійснення якого ω. При цьому ентропія пропорційна логарифму ймовірності: S = k∙lnω.

Якщо стан системи установлюється єдиним способом, його ймовірність ω = 1, а ентропія S = k∙ln1= 0.

У такій термінології друге начало термодинаміки формулюється так:

— Можливі лише такі процеси, за яких ентропія не змінюється або зростає: ΔS ≥ 0 (нерівність Клаузіуса).