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. 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.
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».
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.
При соприкосновении тел процесс теплопередачи происходит самопроизвольно от горячего тела к холодному до тех пор, пока оба тела не будут иметь одинаковые температуры. Например, чашка с горячим чаем. Все макроскопические процессы в природе протекают только в одном определенном направлении. В обратном направлении они самопроизвольно протекать не могут. Необратимый процесс – это любой процесс, сопровождающийся трением, т.к. при трении часть механической энергии превращается в теплоту. Любой реальный процесс – необратим. (Старение; прыжки с трамплина и т.д.).
Обратимый процесс – это процесс, при котором система, переходя из состояния 2 в состояние 1, проходит те же промежуточные точки, что и при переходе из состояния 1 в состояние 2. Этот процесс допускает возможность возвращения системы в первоначальное состояние без каких-либо изменений в окружающей среде. (Шарик в вакууме падает на абсолютно упругую плиту; колебания маятника в вакууме)
Понятие о втором начале термодинамике.
Второй закон термодинамики (формулировка Клаузиуса) : теплообмен протекает в направлении от более горячих тел к более холодным.
Математическая запись второго закона термодинамики.
Тепловые двигатели.
Тепловыми двигателями называют двигатели, которые превращают внутреннюю энергию топлива в механическую работу. Для того чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя. Разность давлений достигается за счет повышения температуры рабочего тела (газа) на сотни или тысячи градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива.
Принцип действия тепловой машины. Любая тепловая машина должна иметь нагреватель, рабочее тело и охладитель (холодильник). Нагреватель сообщает рабочему телу (газу) некоторое количество теплоты Q 1 , что приводит к увеличению его внутренней энергии. Рабочее тело совершает работу за счет запаса внутренней энергии. Рабочим телом у всех тепловых машин является газ, который образуется при сгорании топлива в цилиндре двигателя и при расширении совершает работу. В двигателе газ при расширении не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Часть теплоты Q 2 передается холодильнику (атмосфере) вместе с отработанным паром или выхлопными газами двигателей. Эта часть внутренней энергии теряется.
Рабочее тело двигателя получает при сгорании топлива количество теплоты Q 1 , совершает работу и передает холодильнику количество теплоты Q 2 Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя
называют отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя: КПД любой машины <1 Цикл Карно.
Законы термодинамики позволяют вычислить максимально возможный КПД теплового двигателя, работающего с нагревателем, имеющим температуру Т 1 , и холодильником с температурой Т 2 . Впервые это сделал французский физикСади Карно в 1824г. Он придумал (теоретически) идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Карно получил для КПД этой машины формулу: Главное значение этой формулы состоит в том, что любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т 1 , и холодильником с температурой Т 2 , не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины. Эта формула дает теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Действительное же значение КПД из – за различных энергетических потерь приблизительно равно 40%. Максимальный КПД – около 44% имеют двигатели Дизеля. Котлоагрегат
Значение слова "Котлоагрегат"
Котлоагрегат,
котельный агрегат, конструктивно объединённый в единое целое комплекс устройств для получения под давлением пара или горячей воды за счёт сжигания топлива. Главной частью К. являются топочная камера и газоходы, в которых размещены поверхности нагрева, воспринимающие тепло продуктов сгорания топлива (пароперегреватель, водяной экономайзер, воздухоподогреватель). Элементы К. опираются на каркас и защищены от потерь тепла обмуровкой и изоляцией. К. применяются натепловых электростанциях
для снабжения паром турбин; в промышленных и отопительных котельных для выработки пара и горячей воды на технологические и отопительные нужды; в судовых котельных установках. Конструкция К. зависит от его назначения, вида применяемого топлива и способа сжигания, единичной паропроизводительности, а также от давления и температуры вырабатываемого пара. Обратимый процесс (то есть равновесный) - термодинамический процесс, который может проходить как в прямом, так и в обратном направлении, проходя через одинаковые промежуточные состояния, причем система возвращается в исходное состояние без затрат энергии, и в окружающей среде не остается макроскопических изменений. Обратимый процесс можно в любой момент заставить протекать в обратном направлении, изменив какую-либо независимую переменную на бесконечно малую величину. Обратимые процессы дают наибольшую работу. Большую работу от системы вообще получить невозможно. Это придает обратимым процессам теоретическую важность. На практике обратимый процесс реализовать невозможно. Он протекает бесконечно медленно, и можно только приблизиться к нему. Следует отметить, что термодинамическая обратимость процесса отличается от химической обратимости. Химическая обратимость характеризует направление процесса, а термодинамическая - способ его проведения. Понятия равновесного состояния и обратимого процесса играют большую роль в термодинамике. Все количественные выводы термодинамики применимы только к равновесным состояниям и обратимым процессам. Необратимым называется процесс, который нельзя провести в противоположном направлении через все те же самые промежуточные состояния. Все реальные процессы необратимы. Примеры необратимых процессов: диффузия, термодиффузия, теплопроводность, вязкое течение и др. Переход кинетической энергии макроскопического движения через трение в теплоту, то есть во внутреннюю энергию системы, является необратимым процессом. Все происходящие в природе физические процессы делятся на два типа – обратимые и необратимые. Пусть изолированная система в результате некоторого процесса переходит из состояния А в состояние В и затем возвращается в начальное состояние. Процесс называется обратимым, если возможно осуществить обратный переход из В в А через те же промежуточные состояния так, чтобы при этом не осталось никаких изменений в окружающих телах. Если такой обратный переход осуществить нельзя, если по окончании процесса в самой системе или окружающих телах остались какие-то изменения, то процесс является необратимым. Любой процесс, сопровождаемый трением, является необратимым, ибо при трении часть работы всегда превращается в тепло, тепло рассеивается, в окружающих телах остается след процесса – нагревание, что делает процесс с участием трения необратимым. Идеальный механический процесс, происходящий в консервативной системе (без участия сил трения), был бы обратимым. Примером такого процесса является колебание тяжелого маятника на длинном подвесе. Из-за малого сопротивления среды амплитуда колебаний маятника практически не изменяется в течение продолжительного времени, при этом кинетическая энергия колеблющегося маятника полностью переходит в его потенциальную энергию и обратно. Важнейшей принципиальной особенностью всех тепловых явлений, в которых участвует громадное число молекул, является их необратимый характер. Примером необратимого процесса является расширение газа, даже идеального, в пустоту. Предположим, что нам дан закрытый сосуд, разделенный на две равные части заслонкой (рисунок. 1). Пусть в части I находится некоторое количество газа, а в части II – вакуум. Опыт показывает, что если убрать заслонку, то газ равномерно распределится по всему объему сосуда (расширится в пустоту). Это явление происходит как бы "само собой" без внешнего вмешательства. Сколько бы мы не следили в дальнейшем за газом, он будет всегда оставаться распределенным с одинаковой плотностью по всему сосуду; сколько бы мы ни ждали, нам не удастся наблюдать того, чтобы газ, распределенный по всему сосуду I + II сам собой, то есть без вмешательства извне, ушел из части II и сконцентрировался весь в части I, что дало бы нам возможность вновь вдвинуть заслонку и тем самым возвратиться к исходному состоянию. Таким образом, очевидно, что процесс расширения газа в пустоту является необратимым. Рис 1. Закрытый сосуд, содержащий газ и вакуум и разделённый перегородкой Опыт показывает, что тепловые явления почти всегда обладают свойством необратимости. Так, например, если рядом находятся два тела, из которых одно теплее другого, то их температуры постепенно выравниваются, то есть тепло "само собой" перетекает от более теплого тела к более холодному. Однако обратный переход теплоты от более холодного тела к нагретому, который может быть осуществлен в холодильной машине, не идет "сам собой". Для осуществления такого процесса требуется затрата работы еще какого-либо тела, что приводит к изменению состояния этого тела. Следовательно, условия обратимости не выполняются. Кусочек сахара, помещенный в горячий чай, растворяется в нем, но никогда не бывает, чтобы из горячего чая, в котором уже растворен кусочек сахара, этот последний выделился и вновь собрался в виде кусочка. Конечно, получить сахар, выпарив его из раствора, можно. Но этот процесс сопровождается изменениями в окружающих телах, что свидетельствует о необратимости процесса растворения. Необратимым является и процесс диффузии. И вообще примеров необратимых процессов можно привести сколь угодно много. По сути, любой процесс, протекающий в природе в реальных условиях, является необратимым. Итак, в природе существуют два вида принципиально различных процессов – обратимые и необратимые. М. Планк сказал однажды, что различие между обратимыми и необратимыми процессами лежит гораздо глубже, чем, например, между процессами механическими и электрическими, поэтому его с большим основанием, чем любой другой признак, следовало бы выбрать в качестве первейшего принципа при рассмотрении физических явлений. Закон сохранения энергии утверждает, что количество энергии при любых ее превращениях остается неизменным. Но он ничего не говорит о том, какие энергетические превращения возможны. Между тем многие процессы, вполне допустимые с точки зрения закона сохранения энергии, никогда не протекают в действительности.
Нагретые тела сами собой остывают, передавая свою энергию более холодным окружающим телам. Обратный процесс передачи теплоты от холодного тела к горячему не противоречит закону сохранения энергии, но на самом деле не происходит. Другой пример. Колебания маятника, выведенного из положения равновесия, затухают (рис. 5.11; 1, 2, 3, 4
- последовательные положения маятника при максимальных отклонениях от положения равновесия). За счет работы сил трения механическая энергия убывает, а температура маятника и окружающего воздуха слегка повышается. Энергетически допустим и обратный процесс, когда амплитуда колебаний маятника увеличивается за счет охлаждения самого маятника и окружающей среды. Но такой процесс никогда не наблюдался. Механическая энергия самопроизвольно переходит во внутреннюю, но не наоборот. При этом упорядоченное движение тела как целого превращается в неупорядоченное тепловое движение слагающих его молекул. Число подобных примеров можно увеличить практически неограниченно. Все они говорят о том, что процессы в природе имеют определенную направленность, никак не отраженную в первом законе термодинамики. Все процессы в природе протекают только в одном определенном направлении. В обратном направлении самопроизвольно они протекать не могут.
Все процессы в природе необратимы, и самые трагические из них - старение и смерть организмов. Уточним понятие необратимого процесса. Необратимым процессом может быть назван такой процесс, обратный которому может протекать только как одно из звеньев более сложного процесса.
Так, в примере с маятником можно вновь увеличить амплитуду колебаний маятника, подтолкнув его рукой. Но это увеличение амплитуды возникает не само собой, а становится возможным в результате более сложного процесса, включающего толчок рукой. Можно в принципе перевести теплоту от холодного тела к горячему, но для этого нужна холодильная установка, потребляющая энергию, и т. д. Математически необратимость механических процессов выражается в том, что уравнения движения макроскопических тел изменяются с изменением знака времени. Они, как говорят, не инвариантны при преобразовании t
® -t.
Ускорение не меняет знака при t
® -t.
Силы, зависящие от расстояний, также не меняют знака. Знак при замене t
на -t
меняется у скорости. Именно поэтому при совершении работы силами трения, зависящими от скорости, кинетическая энергия тела необратимо переходит во внутреннюю. Хорошей иллюстрацией необратимости явлений в природе служит просмотр кинофильма в обратном направлении. Например, падение хрустальной вазы со стола будет выглядеть следующим образом. Лежащие на полу осколки вазы устремляются друг к другу и, соединяясь, образуют целую вазу. Затем ваза возносится вверх и вот уже спокойно стоит на столе. То, что мы видим на экране, могло бы происходить в действительности, если бы процессы можно было обратить. Нелепость происходящего проистекает из того, что мы привыкли к определенной направленности процессов и не допускаем возможности их обратного течения. А ведь такой процесс, как восстановление вазы из осколков, не противоречит ни закону сохранения энергии, ни законам механики, ни вообще каким-либо законам, кроме второго закона термодинамики, который мы сформулируем в следующем параграфе. Процессы в природе необратимы. Наиболее типичными необратимыми процессами являются: 1) переход теплоты, от горячего тела к холодному;
2) переход механической энергии во внутреннюю.
>>Физика: Необратимость процессов в природе
Закон сохранения энергии утверждает, что количество энергии при любых ее превращениях остается неизменным. Между тем многие процессы, вполне допустимые с точки зрения закона сохранения энергии , никогда не протекают в действительности. ??? Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотский, Физика 10 класс
Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку,
, где Т 1 – температура нагревателя; Т 2 – температура холодильника;
Примеры необратимых процессов
. Нагретые тела постепенно остывают, передавая свою энергию более холодным окружающим телам. Обратный процесс передачи теплоты от холодного тела к горячему не противоречит закону сохранения энергии, если количество теплоты, отданное холодным телом, равно количеству теплоты, полученному горячим, но такой процесс самопроизвольно никогда не происходит.
Другой пример. Колебания маятника , выведенного из положения равновесия, затухают (рис.13.9; 1, 2, 3, 4
- последовательные положения маятника при максимальных отклонениях от положения равновесия). За счет работы сил трения механическая энергия маятника убывает, а температура маятника и окружающего воздуха (а значит, и их внутренняя энергия) слегка повышается. Энергетически допустим и обратный процесс, когда амплитуда колебаний маятника увеличивается за счет охлаждения самого маятника и окружающей среды. Но такой процесс никогда не наблюдается. Механическая энергия самопроизвольно переходит во внутреннюю, но не наоборот. При этом энергия упорядоченного движения тела как целого превращается в энергию неупорядоченного теплового движения слагающих его молекул.
Общее заключение о необратимости процессов в природе
. Переход тепла от горячего тела к холодному и механической энергии во внутреннюю - это примеры наиболее типичных необратимых процессов. Число подобных примеров можно увеличивать практически неограниченно. Все они говорят о том, что процессы в природе имеют определенную направленность, никак не отраженную в первом законе термодинамики . Все макроскопические процессы в природе протекают только в одном определенном направлении
. В обратном направлении они самопроизвольно протекать не могут. Все процессы в природе необратимы, и самые трагические из них - старение и смерть организмов.
Точная формулировка понятия необратимого процесса.
Для правильного понимания существа необратимости процессов необходимо сделать следующее уточнение: необратимыми
называются такие процессы, которые могут самопроизвольно протекать лишь в одном определенном направлении; в обратном направлении они могут протекать только при внешнем воздействии. Так, можно вновь увеличить размах колебаний маятника, подтолкнув его рукой. Но это увеличение возникает не само собой, а становится возможным в результате более сложного процесса, включающего движение руки.
Математически необратимость механических процессов выражается в том, что уравнения движения макроскопических тел изменяются с изменением знака времени. Они, как говорят в таких случаях, не инвариантны при преобразовании t→-t
. Ускорение не меняет знака при замене t→-t
. Силы, зависящие от расстояний, также не изменяют знака. Знак при замене t
на -t
меняется у скорости. Именно поэтому при совершении работы силами трения, зависящими от скорости, кинетическая энергия тела необратимо переходит во внутреннюю.
Кино «наоборот».
Яркой иллюстрацией необратимости явлений в природе служит просмотр кинофильма в обратном направлении. Например, прыжок в воду будет при этом выглядеть следующим образом. Спокойная вода в бассейне начинает бурлить, появляются ноги, стремительно движущиеся вверх, а затем и весь ныряльщик. Поверхность воды быстро успокаивается. Постепенно скорость ныряльщика уменьшается, и вот уже он спокойно стоит на вышке. То, что мы видим на экране, могло бы происходить в действительности, если бы процессы можно было обратить.
Нелепость происходящего на экране проистекает из того, что мы привыкли к определенной направленности процессов и не сомневаемся в невозможности их обратного течения. А ведь такой процесс, как вознесение ныряльщика на вышку из воды, не противоречит ни закону сохранения энергии, ни законам механики, ни вообще каким-либо законам, кроме второго закона термодинамики
.
Второй закон термодинамики.
Второй закон термодинамики указывает направление возможных энергетических превращений, т. е. направление процессов, и тем самым выражает необратимость процессов в природе. Этот закон был установлен путем непосредственного обобщения опытных фактов.
Есть несколько формулировок второго закона, которые, несмотря на внешнее различие, выражают, в сущности, одно и то же и поэтому равноценны.
Немецкий ученый Р. Клаузиус (1822-1888) сформулировал этот закон так: невозможно перевести тепло от более холодной системы к более горячей при отсутствии других одновременных изменений в обеих системах или в окружающих телах.
Здесь констатируется опытный факт определенной направленности теплопередачи: тепло само собой переходит всегда от горячих тел к холодным. Правда, в холодильных установках осуществляется теплопередача от холодного тела к более теплому, но эта передача связана с другими изменениями в окружающих телах: охлаждение достигается за счет работы.
Важность этого закона в том, что из него можно вывести заключение о необратимости не только процесса теплопередачи, но и других процессов 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 всегда переходит от горячего тела к холодному, а механическая энергия макроскопических тел - во внутреннюю.
Направление процессов в природе указывается вторым законом термодинамики.
1. Какие процессы называются необратимыми? Назовите наиболее типичные необратимые процессы.
2. Как формулируется второй закон термодинамики?
3. Если бы реки потекли вспять, означало бы это, что нарушается закон сохранения энергии?