Необратимость процессов в природе
Материалы к уроку
Конспект урока
Необратимость процессов в природе
В законе сохранения энергии говорится, что энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает бесследно, количество энергии неизменно, и она только переходит из одной формы в другую. При этом некоторые процессы, не противоречащие закону сохранения энергии, никогда не протекают в природе.
Предметы, имеющие более высокую температуру, остывают и при этом отдают свою энергию более холодным окружающим телам. Но никогда в природе не случается обратный процесс: самопроизвольная передача тепла от холодного тела более теплому, хотя это и не противоречит закону сохранения энергии.
Предметы, имеющие более высокую температуру, остывают и при этом отдают свою энергию более холодным окружающим телам. Но никогда в природе не случается обратный процесс: самопроизвольная передача тепла от холодного тела более теплому, хотя это и не противоречит закону сохранения энергии.
Например, чайник с кипящей водой поставили на стол. Постепенно остывая, чайник отдает часть своей внутренней энергии воздуху в комнате. В результате воздух нагревается. Этот процесс будет продолжаться только до тех пор, пока температуры чайника и воздуха в комнате не сравняются. После этого изменения температур происходить не будут.
Другой пример. Колебания качелей, выведенных из положения равновесия, затухают, если их не раскачивать. Механическая энергия качелей уменьшается за счет отрицательной работы силы сопротивления воздуха, а внутренняя энергия качелей и окружающей среды увеличивается. Уменьшение механической энергии равно увеличению внутренней. Закон сохранения энергии не исключает обратного процесса: перехода внутренней энергии воздуха и качелей в механическую энергию качелей. Тогда амплитуда колебаний качелей увеличивалась бы за счет уменьшения температуры окружающей среды и самих качелей. Но такой процесс никогда не происходит. Внутренняя энергия никогда не переходит во внутреннюю. Энергия упорядоченного движения тела как целого всегда превращается в энергию неупорядоченного теплового движения слагающих его молекул, но не наоборот.
Другой пример. Колебания качелей, выведенных из положения равновесия, затухают, если их не раскачивать. Механическая энергия качелей уменьшается за счет отрицательной работы силы сопротивления воздуха, а внутренняя энергия качелей и окружающей среды увеличивается. Уменьшение механической энергии равно увеличению внутренней. Закон сохранения энергии не исключает обратного процесса: перехода внутренней энергии воздуха и качелей в механическую энергию качелей. Тогда амплитуда колебаний качелей увеличивалась бы за счет уменьшения температуры окружающей среды и самих качелей. Но такой процесс никогда не происходит. Внутренняя энергия никогда не переходит во внутреннюю. Энергия упорядоченного движения тела как целого всегда превращается в энергию неупорядоченного теплового движения слагающих его молекул, но не наоборот.
Под действием внешних сил, камень может со временем рассыпаться в песок, но никогда песок без внешних воздействий не «соберется» в камень.
Переход энергии от горячего тела к холодному, превращение механической энергии во внутреннюю, разрушение тел со временем - это примеры необратимых процессов. Необратимыми называются такие процессы, которые без внешних воздействий протекают только в одном определенном направлении; в обратном же направлении они могут протекать только лишь как одно из звеньев более сложного процесса.
Можно вновь увеличить температуру остывшего чайника и воды в нем, но не за счет внутренней энергии воздуха, а передавая ему энергию от внешних тел, например, от конфорки электрической плиты. Можно вновь увеличить амплитуду колебаний качелей, подтолкнув их руками. Можно расплавить песок и, застыв, он превратиться в камень. Но все эти изменения могут произойти не самопроизвольно, а стать возможными в результате дополнительного процесса, включающего воздействие внешней силы.
Можно привести множество таких примеров. Все они говорят о том, что первый закон термодинамики не учитывает определенную направленность процессов в природе. Все макроскопические процессы в природе протекают только в одном определенном направлении. В обратном направлении сами по себе они протекать не могут. Все процессы в природе необратимы, и самые трагические из них - старение и смерть организмов.
Понятие необратимости процессов составляет содержание второго закона термодинамики, который указывает направление энергетических превращений в природе. Этот закон был установлен путем непосредственного обобщения опытных фактов. Он имеет несколько эквивалентных формулировок, которые, несмотря на внешнее различие, выражают, в сущности, одно и то же. Немецкий ученый Рудольф Клаузиус в 1850 году сформулировал второй закон термодинамики следующим образом: невозможно перевести тепло от более холодной системы к более горячей при отсутствии других одновременных изменений в обеих системах или в окружающих телах.
Независимо от Клазиуса в 1851 году к такому же выводу пришел британский физик Уи́льям То́мсон, (лорд Ке́львин): «Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара».
Можно привести множество таких примеров. Все они говорят о том, что первый закон термодинамики не учитывает определенную направленность процессов в природе. Все макроскопические процессы в природе протекают только в одном определенном направлении. В обратном направлении сами по себе они протекать не могут. Все процессы в природе необратимы, и самые трагические из них - старение и смерть организмов.
Понятие необратимости процессов составляет содержание второго закона термодинамики, который указывает направление энергетических превращений в природе. Этот закон был установлен путем непосредственного обобщения опытных фактов. Он имеет несколько эквивалентных формулировок, которые, несмотря на внешнее различие, выражают, в сущности, одно и то же. Немецкий ученый Рудольф Клаузиус в 1850 году сформулировал второй закон термодинамики следующим образом: невозможно перевести тепло от более холодной системы к более горячей при отсутствии других одновременных изменений в обеих системах или в окружающих телах.
Независимо от Клазиуса в 1851 году к такому же выводу пришел британский физик Уи́льям То́мсон, (лорд Ке́львин): «Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара».
Из приведенных формулировок следует, что, если процесс передачи энергии от холодного тела к горячему осуществляется, то при этом происходят определенные изменения в окружающих телах. В частности, такой процесс происходит в холодильной установке: энергия передается от холодильной камеры среде, имеющей более высокую температуру, но этот процесс осуществляется при совершении работы над рабочим телом, и при этом происходят определенные изменения в окружающей среде.
Важность этого закона в первую очередь заключается в том, что необратимость можно распространить с процесса теплопередачи на любые процессы, происходящие в природе. Если бы тепло в каких-либо случаях могло самопроизвольно передаваться от холодных тел к горячим, то это позволило бы сделать обратимыми и другие процессы.
Все процессы самопроизвольно протекают в одном определенном направлении.
Они необратимы. Тепло в любом случае переходит от горячего тела к холодному, а механическая энергия макроскопических тел переходит во внутреннюю энергию их молекул. Направление процессов в природе определяется с помощью второго закона термодинамики.
Остались вопросы по теме? Наши педагоги готовы помочь!
Подготовим к ЕГЭ, ОГЭ и другим экзаменам
Найдём слабые места по предмету и разберём ошибки
Повысим успеваемость по школьным предметам
Поможем подготовиться к поступлению в любой ВУЗ