Необратимость тепловых процессов второй закон термодинамики. Т

Все механические явления без трения
отличаются следующим замечательным свойством.
Каково бы ни было механическое движение тела,
всегда возможно обратное движение, при котором
тело проходит те же точки пространства с теми
же скоростями, что и в прямом движении, но
только в обратном направлении. Эту обратимость
механических явлений можно иначе

сформулировать как их симметричность по отношению к замене будущего прошедшим, то есть по отношению к изменению знака времени. Эта симметричность вытекает из самих уравнений движения.

Совершенно иная ситуация имеет место в области тепловых явлений. Если происходит какой-либо тепловой процесс, то обратный процесс, т.е. процесс, при котором проходятся те же состояния, но только в обратном порядке, как правило, невозможен. Другими словами, тепловые процессы являются, вообще говоря, процессами необратимыми.

В качестве примеров типично необратимых процессов можно привести передачу энергии при контакте двух тел с разной температурой или процесс расширения газа в пустоту. Обратные процессы никогда не происходят.

Вообще всякая предоставленная самой себе система тел стремится перейти в состояние теплового равновесия, в котором тела покоятся друг относительно друга, обладая одинаковыми температурами и давлениями. Достигнув этого

состояния, система сама по себе из него уже не выходит. Другими словами, все тепловые явления, сопровождающиеся процессами приближения к тепловому равновесию, необратимы.

Примером процесса в высокой степени
обратимого является адиабатическое расширение
или сжатие газа, если выполнены условия
адиабатичности. Изотермический процесс тоже
является обратимым, если он осуществляется
достаточно медленно. "Медленность" является
вообще характерной особенностью обратимых
процессов: процесс должен быть настолько
медленным, чтобы участвующие в нем тела как бы
успевали в каждый момент времени оказаться в
состоянии равновесия, соответствующем

имеющимся в этот момент внешним условиям. Такие процессы называются квазистатическими.

Мы уже упоминали, что в системе тел, находящихся в тепловом равновесии, без внешнего вмешательства никаких процессов происходить не может. Это обстоятельство имеет и другой аспект: с помощью тел, находящихся в тепловом равновесии, невозможно произвести никакой работы .

Это чрезвычайно важное утверждение о невозможности получения работы за счет энергии тел, находящихся в тепловом равновесии, называется вторым началом термодинамики. Мы постоянно окружены значительными запасами тепловой энергии (например, мировой океан). Двигатель, работающий только за счет энергии окружающей среды, был бы практически "вечным двигателем". Второе начало термодинамики исключает возможность построения, как говорят, вечного двигателя второго рода, подобно тому, как первое начало термодинамики (закон сохранения энергии) исключает возможность построения вечного двигателя первого рода, который совершал бы работу "из ничего", без внешнего источника энергии.

3. Преобразование теплоты в механическую работу

Обратимся теперь к проблеме, послужившей, собственно, в свое время (начало XIX века) причиной возникновения термодинамики, как науки - проблеме превращения теплоты в механическую работу, или, проблеме теплового двигателя. Изобретение методов получения механической работы за счет теплоты явилось началом новой эпохи в истории цивилизации.

Дело в том, что механическую работу всегда можно полностью превратить в тепловую энергию (за счет, например, трения), полное же превращение тепловой энергии в механическую, как оказалось, невозможно.

Любая тепловая машина, преобразующая теплоту в работу (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и т.д.), действует циклически, то есть в ней процессы передачи тепла и превращения его в работу периодически повторяются.

Для этого нужно, чтобы тело, совершающее работу (рабочее тело), после получения теплоты

совершения работы, вернулось в исходное состояние, чтобы снова начать такой же процесс.

Но мы знаем, что для того, чтобы суммарная работа тела за цикл А оказалась положительной, оно должно вернуться в исходное состояние на диаграмме P-V по более низкой кривой (см. рис. 12.2). Однако более низкой кривой на

диаграмме P-V соответствует более низкая температура, поэтому перед сжатием рабочее тело должно быть охлаждено.

Следовательно, для циклической работы тепловой машины необходимо наличие еще одного, третьего, тела, которое называется холодильником и находится при температуре Т 2 , меньшей температуры нагревателя, что согласуется со вторым началом термодинамики. Из второго начала термодинамики вытекает, что работу можно совершить лишь за счет тел, не находящихся в тепловом равновесии (нагреватель и холодильник). Холодильник отбирает у рабочего тела некоторое количество тепла |Q 2 | (тепло Q 2

отрицательно, так как тело отдает тепло) и охлаждает его. В реальных тепловых машинах в качестве холодильника служит окружающая среда.

Полная механическая работа, совершенная рабочим телом за один цикл

и равна, как мы знаем, площади петли цикла на диаграмме P-V (рис. 12.2).

Коэффициентом полезного действия (к.п.д.) тепловой машины п называется отношение

Обратимым называется процесс, который отвечает следующим условиям:

1. его можно провести в двух противоположных направлениях;
2. в каждом из этих случаев система и окружающие ее тела проходят через одни и те же промежуточные состояния;
3. после проведения прямого и обратного процессов система и окружающие ее тела возвращаются к исходному состоянию.

Всякий процесс, не удовлетворяющий хотя бы одному из этих условий, является необратимым .

Так, можно доказать, что абсолютно упругий шарик, падая в вакууме на абсолютно упругую плиту, вернется после отражения в исходную точку, пройдя в обратном направлении все те промежуточные состояния, которые он проходил при падении.

Но в природе нет строго консервативных систем, в любой реальной системе действуют силы трения. Поэтому все реальные процессы в природе необратимы.

Реальные тепловые процессы также необратимы .

1. При диффузии выравнивание концентраций происходит самопроизвольно. Обратный же процесс сам по себе никогда не пойдет: никогда самопроизвольно смесь газов, например, не разделится на составляющие ее компоненты. Следовательно, диффузия - необратимый процесс.
2. Теплообмен, как показывает опыт, также является односторонне направленным процессом. В результате теплообмена энергия передается сама по себе всегда от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. Обратный процесс передачи теплоты от холодного тела к горячему сам по себе никогда не происходит.
3. Необратимым является также процесс превращения механической энергии во внутреннюю при неупругом ударе или при трении.

Между тем из первого закона термодинамики направленность и тем самым необратимость тепловых процессов не вытекает. Первый закон термодинамики требует лишь, чтобы количество теплоты, отданное одним телом, в точности равнялось количеству теплоты, которое получит другое. А вот вопрос о том, от какого тела, от горячего к холодному или наоборот, перейдет энергия, остается открытым.

Направленность реальных тепловых процессов определяется вторым законом термодинамики, который был установлен непосредственным обобщением опытных фактов. Это постулат. Немецкий ученый Р. Клаузиус дал такую формулировку второго закона термодинамики : невозможно перевести тепло от более холодной системы к более горячей при отсутствии других одновременных изменений в обеих системах или окружающих телах.

Из второго закона термодинамики вытекает невозможность создания вечного двигателя второго рода, т.е. двигателя, который бы совершал работу за счет охлаждения какого-либо одного тела.

Закон сохранения энергии утверждает, что количество энергии при любых процессах остается неизменным. Но он ничего не говорит о том, какие энергетические превращения возможны.

Закон сохранения энергии не запрещает процессы, которые на опыте не происходят:

Нагревание более нагретого тела более холодным;

Самопроизвольное раскачивание маятника из состояния покоя;

Собирание песка в камень и т.д.

Процессы в природе имеют определенную направленность. В обратном направлении самопроизвольно они протекать не могут. Все процессы в природе необратимы (старение и смерть организмов).

Необратимым процессом может быть назван такой процесс, обратный которому может протекать только как одно из звеньев более сложного процесса. Самопроизвольными называются такие процессы, которые происходят без воздействия внешних тел, а значит, без изменений в этих телах).

Процессы перехода системы из одного состояния в другое, которые можно провести в обратном направлении через ту же последовательность промежуточных равновесных состояний, называются обратимыми . При этом сама система и окружающие тела полностью возвращаются к исходному состоянию.

Второй закон термодинамики указывает направление возможных энергетических превращений и тем самым выражает необратимость процессов в природе. Он установлен путем непосредственного обобщения опытных фактов.

Формулировка Р. Клаузиуса: невозможно перевести тепло от более холодной системы к более горячей при отсутствии одновременных изменений в обеих системах или окружающих телах.

Формулировка У. Кельвина : невозможно осуществить такой периодический процесс, единственным результатом которого было бы получение работы за счет теплоты, взятой от одного источника.

Невозможен тепловой вечный двигатель второго рода, т.е. двигатель, совершающий механическую работу за счет охлаждения какого-либо одного тела.

Объяснение необратимости процессов в природе имеет статистическое (вероятностное) истолкование.

Чисто механические процессы (без учета трения) обратимы, т.е. инвариантны (не изменяются) при замене t→ -t. Уравнения движения каждой отдельно взятой молекулы также инвариантны относительно преобразования времени, т.к. содержат только силы, зависящие от расстояния. Значит причина необратимости процессов в природе в том, что макроскопические тела содержат очень большое количество частиц.

Макроскопическое состояние характеризуется несколькими термодинамическими параметрами (давление, объем, температура и т.д.). Микроскопическое состояние характеризуется заданием координат и скоростей (импульсов) всех частиц, составляющих систему. Одно макроскопическое состояние может быть реализовано огромным числом микросостояний.

Обозначим: N- полное число состояний системы, N 1 - число микросостояний, которые реализуют данное состояние, w - вероятность данного состояния.

Чем больше N 1 , тем больше вероятность данного макросостояния, т.е. тем большее время система будет находиться в этом состоянии. Эволюция системы происходит в направлении от маловероятных состояний к более вероятным. Т.к. механическое движение - это упорядоченное движение, а тепловое - хаотическое, то механическая энергия переходит в тепловую. При теплообмене состояние, в котором одно тело имеет более высокую температуру (молекулы имеют более высокую среднюю кинетическую энергию), менее вероятно, чем состояние, в котором температуры равны. Поэтому процесс теплообмена происходит в сторону выравнивания температур.

Энтропия - мера беспорядка . S - энтропия.

где k - постоянная Больцмана. Это уравнение раскрывает статистический смысл законов термодинамики. Величина энтропии во всех необратимых процессах увеличивается. С этой точки зрения жизнь - это постоянная борьба за уменьшение энтропии. Энтропия связана с информацией, т.к. информация приводит к порядку (много будешь знать - скоро состаришься).

Необратимость тепловых процессов. Второй закон термодинамики. Понятие энтропии

Первый закон термодинамики – закон сохранения энергии для тепловых процессов – устанавливает связь между количеством теплоты Q , полученной системой, изменением ΔU ее внутренней энергии и работой A , совершенной над внешними телами: Q = ΔU + A .

Согласно этому закону, энергия не может быть создана или уничтожена; она передается от одной системы к другой и превращается из одной формы в другую. Процессы, нарушающие первый закон термодинамики, никогда не наблюдались. На рис. 3.12.1 изображены устройства, запрещенные первым законом термодинамики.

Циклически работающие тепловые машины, запрещаемые первым законом термодинамики: 1 – вечный двигатель 1 рода, совершающий работу без потребления энергии извне; 2 – тепловая машина с коэффициентом полезного действия η > 1

Первый закон термодинамики не устанавливает направления тепловых процессов. Однако, как показывает опыт, многие тепловые процессы могут протекать только в одном направлении. Такие процессы называются необратимыми. Например, при тепловом контакте двух тел с разными температурами тепловой поток всегда направлен от более теплого тела к более холодному. Никогда не наблюдается самопроизвольный процесс передачи тепла от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой. Следовательно, процесс теплообмена при конечной разности температур является необратимым.

Обратимыми процессами называют процессы перехода системы из одного равновесного состояния в другое, которые можно провести в обратном направлении через ту же последовательность промежуточных равновесных состояний. При этом сама система и окружающие тела возвращаются к исходному состоянию.

Процессы, в ходе которых система все время остается в состоянии равновесия, называются квазистатическими . Все квазистатические процессы обратимы. Все обратимые процессы являются квазистатическими.

Если рабочее тело тепловой машины приводится в контакт с тепловым резервуаром, температура которого в процессе теплообмена остается неизменной, то единственным обратимым процессом будет изотермический квазистатический процесс, протекающий при бесконечно малой разнице температур рабочего тела и резервуара. При наличии двух тепловых резервуаров с разными температурами обратимым путем можно провести процессы на двух изотермических участках. Поскольку адиабатический процесс также можно проводить в обоих направлениях (адиабатическое сжатие и адиабатическое расширение), то круговой процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат (цикл Карно) является единственным обратимым круговым процессом, при котором рабочее тело приводится в тепловой контакт только с двумя тепловыми резервуарами. Все остальные круговые процессы, проводимые с двумя тепловыми резервуарами, необратимы.

Процессы превращения механической работы во внутреннюю энергию тела являются необратимыми из-за наличия трения, процессов диффузии в газах и жидкостях, процессы перемешивания газа при наличии начальной разности давлений и т. д. Все реальные процессы необратимы, но они могут сколь угодно близко приближаться к обратимым процессам. Обратимые процессы являются идеализацией реальных процессов.

Первый закон термодинамики не может отличить обратимые процессы от необратимых. Он просто требует от термодинамического процесса определенного энергетического баланса и ничего не говорит о том, возможен такой процесс или нет. Направление самопроизвольно протекающих процессов устанавливает второй закон термодинамики. Он может быть сформулирован в виде запрета на определенные виды термодинамических процессов.

Английский физик У. Кельвин дал в 1851 г. следующую формулировку второго закона:

В циклически действующей тепловой машине невозможен процесс, единственным результатом которого было бы преобразование в механическую работу всего количества теплоты, полученного от единственного теплового резервуара.

Гипотетическую тепловую машину, в которой мог бы происходить такой процесс, называют вечным двигателем второго рода. В земных условиях такая машина могла бы отбирать тепловую энергию, например, у Мирового океана и полностью превращать ее в работу. Масса воды в Мировом океане составляет примерно 10 21 кг , и при ее охлаждении на один градус выделилось бы огромное количество энергии (≈ 10 24 Дж ), эквивалентное полному сжиганию 10 17 кг угля. Ежегодно вырабатываемая на Земле энергия приблизительно в 10 4 раз меньше. Поэтому вечный двигатель второго рода был бы для человечества не менее привлекателен, чем вечный двигатель первого рода, запрещенный первым законом термодинамики.

Немецкий физик Р. Клаузиус дал другую формулировку второго закона термодинамики:

Невозможен процесс, единственным результатом которого была бы передача энергии путем теплообмена от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой.

На рис. 3.12.2 изображены процессы, запрещенные вторым законом, но не запрещенные первым законом термодинамики. Эти процессы соответствуют двум формулировкам второго закона термодинамики.

Процессы, не противоречащие первому закону термодинамики, но запрещаемые вторым законом: 1 – вечный двигатель второго рода; 2 – самопроизвольный переход тепла от холодного тела к более теплому (идеальная холодильная машина)

Следует отметить, что обе формулировки второго закона термодинамики эквивалентны . Если допустить, например, что тепло может самопроизвольно (т. е. без затраты внешней работы) переходить при теплообмене от холодного тела к горячему, то можно прийти к выводу о возможности создания вечного двигателя второго рода. Действительно, пусть реальная тепловая машина получает от нагревателя количество теплоты Q 1 и отдает холодильнику количество теплоты Q 2 . При этом совершается работа A = Q 1 – |Q 2 | . Если бы количество теплоты |Q 2 | самопроизвольно переходило от холодильника к нагревателю, то конечным результатом работы реальной тепловой машины и идеальной холодильной машины было бы превращение в работу количества теплоты Q 1 – |Q 2 | , полученного от нагревателя без какого-либо изменения в холодильнике. Таким образом, комбинация реальной тепловой машины и идеальной холодильной машины равноценна вечному двигателю второго рода. Точно также можно показать, что комбинация реальной холодильной машины и вечного двигателя второго рода равноценна идеальной холодильной машине.

Второй закон термодинамики непосредственно связан с необратимостью реальных тепловых процессов. Энергия теплового движения молекул качественно отличается от всех других видов энергии – механической, электрической, химической и т. д. Энергия любого вида, кроме энергии теплового движения молекул, может полностью превратиться в любой другой вид энергии, в том числе и в энергию теплового движения. Последняя может испытать превращение в любой другой вид энергии лишь частично . Поэтому любой физический процесс, в котором происходит превращение какого-либо вида энергии в энергию теплового движения молекул, является необратимым процессом, т. е. он не может быть осуществлен полностью в обратном направлении.

Общим свойством всех необратимых процессов является то, что они протекают в термодинамически неравновесной системе и в результате этих процессов замкнутая система приближается к состоянию термодинамического равновесия .

На основании любой из формулировок второго закона термодинамики могут быть доказаны следующие утверждения, которые называются теоремами Карно:

Коэффициент полезного действия тепловой машины, работающей при данных значениях температур нагревателя и холодильника, не может быть больше, чем коэффициент полезного действия машины, работающей по обратимому циклу Карно при тех же значениях температур нагревателя и холодильника.

Коэффициент полезного действия тепловой машины, работающей по циклу Карно, не зависит от рода рабочего тела, а только от температур нагревателя и холодильника.

Таким образом, коэффициент полезного действия машины, работающей по циклу Карно, максимален. η = 1 - Q 2 Q 1 ≤ η max = η Карно = 1 - T 2 T 1 .

Знак равенства в этом соотношении соответствует обратимым циклам. Для машин, работающих по циклу Карно, это соотношение может быть переписано в виде

| Q 2 | Q 1 = T 2 T 1 или | Q 2 | T 2 = Q 1 T 1 .

В каком бы направлении ни обходился цикл Карно (по или против часовой стрелки) величины Q 1 и Q 2 всегда имеют разные знаки. Поэтому можно записать Q 1 T 1 + Q 2 T 2 = 0.

Это соотношение может быть обобщено на любой замкнутый обратимый процесс, который можно представить как последовательность малых изотермических и адиабатических участков (рис. 3.12.3).

Произвольный обратимый цикл как последовательность малых изотермических и адиабатических участков

При полном обходе замкнутого обратимого цикла

∑ Δ Q i T i = 0 (обратимый цикл),

Где ΔQ i = ΔQ 1i + ΔQ 2i – количество теплоты, полученное рабочим телом на двух изотермических участках при температуре T i . Для того, чтобы такой сложный цикл провести обратимым путем, необходимо рабочее тело приводить в тепловой контакт со многими тепловыми резервуарами с температурами T i . Отношение ΔQ i / T i называется приведенным теплом . Полученная формула показывает, что полное приведенное тепло на любом обратимом цикле равно нулю . Эта формула позволяет ввести новую физическую величину, которая называется энтропией и обозначается буквой S (Р. Клаузиус, 1865 г.). Если термодинамическая система переходит из одного равновесного состояния в другое, то ее энтропия изменяется. Разность значений энтропии в двух состояниях равна приведенному теплу, полученному системой при обратимом переходе из одного состояния в другое. Δ S = S 2 - S 1 = ∑ (1) (2) Δ Q i обр T .

В случае обратимого адиабатического процесса ΔQ i = 0 и, следовательно, энтропия S остается неизменной.

Выражение для изменения энтропии ΔS при переходе неизолированной системы из одного равновесного состояния (1) в другое равновесное состояние (2) может быть записано в виде Δ S = ∫ (1) (2) d Q обр T .

Энтропия определена с точностью до постоянного слагаемого, так же, как, например, потенциальная энергия тела в силовом поле. Физический смысл имеет разность ΔS энтропии в двух состояниях системы. Чтобы определить изменение энтропии в случае необратимого перехода системы из одного состояния в другое, нужно придумать какой-нибудь обратимый процесс, связывающий начальное и конечное состояния, и найти приведенное тепло, полученное системой при таком переходе.

Энтропия и фазовые переходы

Рис. 3.12.4 иллюстрирует необратимый процесс расширения газа «в пустоту» в отсутствие теплообмена. Только начальное и конечное состояния газа в этом процессе являются равновесными, и их можно изобразить на диаграмме (p, V ). Точки (a ) и (b ), соответствующие этим состояниям, лежат на одной изотерме. Для вычисления изменения ΔS энтропии можно рассмотреть обратимый изотермический переход из (a ) в (b ). Поскольку при изотермическом расширении газ получает некоторое количество теплоты от окружающих тел Q > 0 , можно сделать вывод, что при необратимом расширении газа энтропия возросла: ΔS > 0 .

Расширение газа в «пустоту». Изменение энтропии Δ S = Q T = A T > 0, где A = Q – работа газа при обратимом изотермическом расширении

Другой пример необратимого процесса – теплообмен при конечной разности температур. На рис. 3.12.5 изображены два тела, заключенные в адиабатическую оболочку. Начальные температуры тел T 1 и T 2 < T 1 . При теплообмене температуры тел постепенно выравниваются. Более теплое тело отдает некоторое количество теплоты, а более холодное – получает. Приведенное тепло, получаемое холодным телом, превосходит по модулю приведенное тепло, отдаваемое горячим телом. Отсюда следует, что изменение энтропии замкнутой системы в необратимом процессе теплообмена ΔS > 0 .

Теплообмен при конечной разности температур: a – начальное состояние; b – конечное состояние системы. Изменение энтропии ΔS > 0

Рост энтропии является общим свойством всех самопроизвольно протекающих необратимых процессов в изолированных термодинамических системах. При обратимых процессах в изолированных системах энтропия не изменяется: ΔS ≥ 0 .

Это соотношение принято называть законом возрастания энтропии.

При любых процессах, протекающих в термодинамических изолированных системах, энтропия либо остается неизменной, либо увеличивается.

Таким образом, энтропия указывает направление самопроизвольно протекающих процессов. Рост энтропии указывает на приближение системы к состоянию термодинамического равновесия. В состоянии равновесия энтропия принимает максимальное значение. Закон возрастания энтропии можно принять в качестве еще одной формулировки второго закона термодинамики.

В 1878 году Л. Больцман дал вероятностную трактовку понятия энтропии. Он предложил рассматривать энтропию как меру статистического беспорядка в замкнутой термодинамической системе. Все самопроизвольно протекающие процессы в замкнутой системе, приближающие систему к состоянию равновесия и сопровождающиеся ростом энтропии, направлены в сторону увеличения вероятности состояния.

Всякое состояние макроскопической системы, содержащей большое число частиц, может быть реализовано многими способами. Термодинамическая вероятность W состояния системы – это число способов , которыми может быть реализовано данное состояние макроскопической системы, или число микросостояний , осуществляющих данное макросостояние. По определению термодинамическая вероятность W >> 1 .

Например, если в сосуде находится 1 моль газа, то возможно огромное число N способов размещения молекулы по двум половинкам сосуда: N = 2 N A , где N A – число Авогадро . Каждый из них является микросостоянием. Только одно из микросостояний соответствует случаю, когда все молекулы соберутся в одной половинке (например, правой) сосуда. Вероятность такого события практически равна нулю. Наибольшее число микросостояний соответствует равновесному состоянию, при котором молекулы равномерно распределены по всему объему. Поэтому равновесное состояние является наиболее вероятным . С другой стороны равновесное состояние является состоянием наибольшего беспорядка в термодинамической системе и состоянием с максимальной энтропией.

Согласно Больцману, энтропия S системы и термодинамическая вероятность W связаны между собой следующим образом: S = k ln W , где k = 1,38·10 –23 Дж/К – постоянная Больцмана . Таким образом, энтропия определяется логарифмом числа микросостояний, с помощью которых может быть реализовано данное макросостояние. Следовательно, энтропия может рассматриваться как мера вероятности состояния термодинамической системы.

Вероятностная трактовка второго закона термодинамики допускает самопроизвольное отклонение системы от состояния термодинамического равновесия. Такие отклонения называются флуктуациями . В системах, содержащих большое число частиц, значительные отклонения от состояния равновесия имеют чрезвычайно малую вероятность.




1 пара (2 урока по 40 минут)

Тип урока: комплексно-творческий урок.

Задачи урока:

1. Обеспечить усвоение учащимися основных понятий по теме, понимания сущности и значения второго закона термодинамики.
2. Содействовать формированию знаний физических закономерностей и влияния различных условий на характер протекания физических процессов.
3. Создать условия для развития интеллектуальных способностей и общеучебных умений через организацию самостоятельной работы учащихся и работы в группах.

Оборудование: калориметр, металлический цилиндр, стальной шарик, коробка с мокрым песком, математический маятник, схема работы двигателя второго рода, карточки-задания для групп.

Ход урока

1.Организационный момент.

Сообщение темы урока, задач и плана работы. Формирование рабочих групп с учетом особенностей мышления.

2.Актуализация знаний. Подготовка к основному этапу занятий.

Продолжительность до 7-8 минут.

Учащимся предлагается ответить на вопросы.

На основе ответов формулируются выводы.

Что представляет собой I-й закон термодинамики?

Как читается закон?

Каковы границы применимости данного закона? (Важно: закон справедлив для замкнутых систем).

В чем состоят недостатки закона? (Важно: в законе не дается никаких указаний на то, в каком направлении протекают процессы, удовлетворяющие принципу сохранения энергии).

В чем заключается неравноценность одинаковых количеств энергии различных видов?

(Важно: Разные виды энергии не равноценны в отношении способности превращаться в другие виды. Механическую энергию можно целиком превратить во внутреннюю, например, электрическая энергия – внутренняя. Запасы внутренней энергии ни при каких условиях не может превратиться целиком в другие виды энергии.)

Выделенные особенности подтверждаются при разборе примеров.

Если система состоит из двух тел с различной температурой, то теплообмен происходит так, что температуры тел выравниваются и вся система приходит к состоянию теплового равновесия.

I закон термодинамики не был бы нарушен, если бы передача тепла происходила от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой при условии, что полный запас энергии оставался бы неизменным.

Повседневный опыт показывает, что сама по себе передача тепла от более холодного тела к более горячему никогда не происходит.

Камень падает с некоторой высоты. При этом потенциальная энергия переходит в кинетическую, а затем механическая - во внутреннюю энергию. При этом закон сохранения энергии не нарушается.

Первому закону термодинамики не противоречил бы и обратный процесс: лежащий на земле камень нагревают переходом тепла от окружающих тел, вследствие чего камень поднимается на некоторую высоту.

Описанную ситуацию в природе наблюдать нельзя.

3.Организация работы в группах

.

Продолжительность работы в группах 20-25 минут.

Задача: познакомиться с текстом учебника, и выполнить предложенные задания.

Задание 1. Изучив материал § 5.8 и 5.9, введите понятия:

Необратимый процесс (приведите примеры);

Второй закон термодинамики;

Вечный двигатель первого рода;

Вечный двигатель второго рода.

Задание 2. Приведите примеры явлений, в которых наблюдается самопроизвольный выход системы из состояния термодинамического равновесия.

Из ответа учащихся:

К заданию 1.

Вечный двигатель первого рода – устройство для совершения работы без использования источника энергии.

(Важно: данная формулировка противоречит I закону термодинамики.)

Вечный двигатель второго рода – устройство, которое совершало бы работу только лишь за счет получения теплоты из окружающей среды.

(Важно: данная формулировка не противоречит I закону термодинамики.)

К заданию 2.

Пример нарушения II закона термодинамики в достаточно малых системах – броуновское движение, при котором взвешенная в жидкости частица получает кинетическую энергию от молекул окружающей среды, хотя температура среды не выше, чем температура смой броуновской частицы.

Задание. Изучите материал § 5.8 и 5.9. Рассмотрите предложенные ситуации, объясните происходящие явления.

Для выполнения задания группа использует лабораторное оборудование.

Груз на нити совершает колебания.

Что изменилось бы, если колебания совершались бы в вакууме?

б)

Сосуд разделен перегородкой. В первой половине находится газ, во второй – вакуум. Что произойдет, если перегородку убрать? Вернется ли газ самопроизвольно через некоторое время в половину 1?

в)

Сравните две ситуации и сделайте вывод.

1. Два тела привели в соприкосновение. Укажите направление теплопередачи. Может ли самопроизвольно теплота передаваться в обратном направлении?

2.В стакан с водой опустили кусочек марганцовки. Через некоторое время получился равномерно окрашенный раствор. Может ли снова образоваться кусочек марганцовки?

Задание. Изучите материал § 5.8 и 5.9. Постройте схему устройства, в котором нарушается постулат Клаузиуса; Кельвина. Докажите эквивалентность различных формулировок II закона термодинамики.

К ответу учащихся.

Предполагаемые рассуждения учащихся по доказательству эквивалентности различных формулировок:

1.Предположим, что постулат Кельвина несправедлив.

Тогда можно осуществить такой процесс, единственным результатом которого было бы совершение работы A за счет энергии Q, взятой от единственного источника с температурой T.

Эту работу можно было бы путем трения снова целиком превратить в теплоту, передаваемую телу, температура которого выше, чем T.

Единственным результатом такого составного процесса был бы переход теплоты от тела с температурой T к телу с более высокой температурой. Но это противоречило бы постулату Клаузиуса.

Вывод: постулат Клаузиуса не может быть справедливым, если неверен постулат Кельвина (Томсона).

2.Предположим, что несправедлив постулат Клаузиуса, что постулат Кельвина также не может выполняться.

Построим обычную тепловую машину (левая часть рисунка). Так как постулат Клаузиуса предполагается неверным, можно осуществить процесс, единственным результатом которого будет переход Q 2 от холодильника к нагревателю (правая часть рисунка). В результате нагреватель будет отдавать рабочему телу машины теплоту Q 1 и получать при процессе, противоречащем постулату Клаузиуса, теплоту Q 2 , так что в целом он будет отдавать количество теплоты, равное Q 1 - Q 2. Такое количество теплоты машина превращает в работу.

В холодильнике в целом никаких изменений вообще не происходит, т.к. он отдает и получает одно и тоже Q 2.

Комбинируя тепловую машину и процесс, противоречащий постулату Клаузиуса, можно получить процесс, противоречащий постулату Кельвина.

Таким образом, либо верны оба постулата, либо оба постулата неверны, и в этом смысле они эквивалентны.

Цикл является обратимым, если он состоит из обратимым процессов, т.е.таких, которые можно провести в любом направлении через одну и ту же цепочку равновесных состояний.

а) Адиабатические процессы обратимы, если их проводить достаточно медленно.

б) Изотермические процессы – это единственные процессы с теплообменом, которые могут быть проведены обратимым образом.

При любом другом процессе температура рабочего тела изменяется!

4. Представление группами результатов работы.

Общее время на представление результатов работы групп составляет 20-25 минут.

Каждая группа представляет классу результаты своей работы, отвечает на уточняющие, углубляющие понимание материала вопросы ребят, учителя.

По ходу сообщения группы все учащиеся составляют в тетрадях тезисный конспект, включающий в себя основные понятия, положения, закономерности, схемы и другие важные для понимания темы пометки.

5.Закрепление полученных знаний.

Время работы- 8-10 минут.

Вниманию учащихся предлагается сообщение ученика по опережающему заданию.

Задача: Объяснить необратимость реальных тепловых процессов с точки зрения статистической механики.

Тезисы ответа:

Рассмотрим с точки зрения МКТ модель “вечного” двигателя второго рода.

Работа двигателя

1. Газ самопроизвольно собирается в левой половине цилиндра.
2. Поршень подвигают вплотную к газу. При этом внешние силы работу не совершают, т.к. газ, собравшийся в левой половине, не оказывает давления на поршень.
3. Подводим к газу теплоту и заставляем его изотермически расширяться до первоначального объема. При этом газ совершает работу за счет подведенного тепла.
4. После того, как поршень перейдет в крайнее правое положение, необходимо ждать, пока газ снова не соберется самопроизвольно в левой половине сосуда, и затем повторяем все снова.

1.Термодинамический подход не объясняет природу необратимости реальных процессов в макроскопических системах.

2.Молекулярно-кинетический подход позволяет проанализировать причины необратимости.

Итог: Получилась периодически действующая машина, которая совершает работу только за счет получения теплоты от окружающей среды.

(МКТ позволяет объяснить, почему такое устройство не будет работать.

Учащимся предлагается поразмышлять над этим вопросом.)

Теперь становится возможным объяснение того, какой смысл вкладывается в понятие необратимого процесса: процесс является необратимым, если обратный процесс в действительности почти никогда не происходит.

Рассмотренный материал станет основой изучения материала следующего урока по теме “Тепловые двигатели”

6. Проверочная работа.

Время работы – 5-7 минут.

1.Когда тело получает тепло за счет совершения механической работы, то это означает необратимое превращение кинетической энергии упорядоченного макроскопического движения в кинетическую энергию хаотического движения молекул.

2.Превращение теплоты в работу, означает превращение энергии беспорядочного движения молекул в энергию упорядоченного движения макроскопического тела.

7. Подведение итогов урока.

Оценка успешности выполнения поставленных в начале урока задач.

Выставление оценок группам за работу.