Богданов до

§ 32. незворотні ТЕПЛОВИХ ПРОЦЕСІВ. ДРУГИЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМІКИ.

Процеси в природі є незворотними, а їх напрямок підпорядковується загальній закономірності - більш впорядковані стану замкнутих систем переходять в 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. в 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 в 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 що ймовірність такого 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 привести 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 є незворотним 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 котяться по полю м'ячем, теплообмін відбувається в напрямку від порядку до його відсутності.

Властивість газу займати весь обсяг судини, в якому він знаходиться, теж виникає через прагнення молекул газу до безладдя. Якщо спочатку розмістити всі молекули газу в якийсь малої частини посудини, 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 є незворотнім.

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

Існують, однак, і кілька інших формулювань другого закону термодинаміки. Одна з них належить німецькому вченому Р. Клаузиса - «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 будь-якого 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. більш гаряче, ніж А. за допомогою сили тертя, що виникає при русі тіла б по тілу В. в результаті, система з тіл А, б і в перейшла б у новий стан, відмінне 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, коефіцієнт корисної дії 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'язано з використанням енергозберігаючих технологій та відновлювальних джерел енергії (вітер, припливи, сонячна енергія і т.п.).

Питання для повторення:

· Наведіть приклади незворотних теплових процесів.

· Сформулюйте другий закон термодинаміки і слідства з нього.

Мал. 32. Ілюстрація незворотності при теплообміні (а. Стрілкою показано напрямок передачі теплоти) і розширенні газу в порожнечу (б. Зліва - початковий стан).