Незворотність теплових процесів. Другий закон термодинаміки

Процеси в природі незворотні, а їх напрямок підпорядковується загальній закономірності – більш впорядковані стану замкнутих систем переходять у менш впорядковані.

Якщо лежить на землі м’яч злегка штовхнути ногою, то він, прокотившись по землі, зупиниться, а вся його кінетична енергія перейде в теплову, у результаті чого він сам і ділянки землі, яких він торкався, стануть трохи тепліше. Іншими словами, вся кінетична енергія упорядкованого руху м’яча переходить у внутрішню енергію хаотичного руху молекул. А чи можна зробити навпаки, щоб частина енергії хаотичного руху молекул перейшла в кінетичну енергію його упорядкованого руху, як цілого? В принципі, можна собі уявити, що зовсім випадково всі молекули м’яча у своєму тепловому русі раптом починають рухатися в одному напрямку. Тоді очевидно, що і весь м’яч рушить в ту ж сторону. Цікаво, що така випадкова координація між рухами всіх молекул не суперечить закону збереження енергії, але життєвий досвід нам підказує, що цього бути не може, тому ймовірність такої події дуже і дуже мала. Таким чином, процес ковзання м’яча є незворотнім, при якому вся кінетична енергія перетворюється на теплову, а впорядкований рух замінюється хаотичним.

Можна навести багато прикладів незворотності теплових процесів. Якщо два тіла різної температури стикаються, то більш гаряче тіло остигає, а більш холодну нагрівається, хоча закон збереження енергії, взагалі кажучи, не забороняє і зворотне. Тому теплообмін між неоднаково нагрітими тілами теж незворотній і відбувається тільки від більш нагрітого тіла до менш нагрітого (рис. 32а). Можна вважати, що до початку теплообміну молекули були розташовані впорядковано – молекули з малою кінетичною енергією в менш нагрітому тілі, а молекули з великою енергією в більш нагрітому. Таким чином, як і у випадку з катящимся по полю м’ячем, теплообмін відбувається в напрямку від порядку до його відсутності.

Властивість газу займати весь обсяг посудини, в якому він знаходиться, теж виникає через прагнення молекул газу до безладу. Якщо спочатку розмістити всі молекули газу в якійсь малій частині судини, а потім зняти обмеження, дозволивши їм рухатися, то вони рівномірно заповнять весь його обсяг (рис. 32б). Як і в попередніх випадках, ймовірність того, що молекули знову зберуться всі разом в тій частині судини, де вони були спочатку, мізерно мала. Тому і цей процес розширення газу теж незворотній.

Таким чином, можна стверджувати, що, якщо замкнута система з макроскопічних тіл переходить в інший стан, то цей перехід незворотній, тому він завжди відбувається з менш ймовірного стану в більш ймовірне. Це твердження називають другим законом термодинаміки, який вказує напрямок протікання теплових процесів у природі.

Існують, однак, і кілька інших формулювань другого закону термодинаміки. Одна з них належить німецькому вченому Р. Клаузісом – “Неможливий процес, єдиним результатом якого був би перехід кількості теплоти від холодного тіла до гарячого”. Іншими словами, теплообмін в замкнутій системі може відбуватися тільки в одному напрямку – від гарячого тіла до холодного.

Доведемо за допомогою другого закону термодинаміки у формулюванні Клаузиса, що кількість теплоти, отримане при охолодженні якого-небудь тіла А не може бути повністю перетворено в механічну енергію тіла Б. Дійсно, якби це вдалося, то тоді можна було б нагріти будь-яке тіло В, більше гаряче, ніж А, за допомогою сили тертя, що виникає при русі тіла Б по тілу В. В результаті, система з тіл А, Б та В перейшла б у новий стан, відмінний від старого тільки тим, що деяка кількість теплоти перейшло від тіла А до більш гарячого тіла В. А такий процес заборонений другим законом термодинаміки, і значить, все кількість теплоти не може бути перетворено в механічну енергію.

Потреби людського суспільства в різних видах енергії зростають з кожним роком. При цьому велика частина електричної і механічної енергії виробляється тепловими двигунами, зокрема, двигунами внутрішнього згоряння, ККД яких обмежений другим законом термодинаміки і рівнянням (31.2). І, чим більше людство виробляє енергії, тим більше воно нагріває навколишнє середовище і забруднює її екологічно шкідливими продуктами згоряння. Тому майбутнє світової енергетики пов’язане з використанням енергозберігаючих технологій та відновлювальних джерел енергії (вітер, припливи, сонячна енергія тощо).

Питання для повторення:

– Наведіть приклади незворотних теплових процесів. – Сформулюйте другий закон термодинаміки і наслідки з нього.


1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars (1 votes, average: 5.00 out of 5)

Незворотність теплових процесів. Другий закон термодинаміки