Необоротність теплових процесів

Перший закон термодинаміки, який є по суті законом збе­реження і перетворення енергії в застосуванні до теплових процесів, дає змогу описати будь-який процес, в ході якого від­бувається перетворення різних видів енергії у внутрішню. Проте цей закон не дає відповіді на запитання, які енергетичні перетворення можливі і в якому напрямі мають розвиватися.

З точки зору першого закону термодинаміки будь-який процес можливий, якщо кількість теплоти залишається не­змінною. Пояснимо це на прикладах.

Припустимо, що у калориметр з холодною водою помістили гаряче тіло. Коли б при цьому холодна вода охолонула ще більше і виділила певну кількість теплоти, а гаряче тіло дістало б цю кількість теплоти і ще більше нагрілося, таке явище не суперечило б першому закону термодинаміки: ба­ланс енергії був би забезпечений. Але такого процесу в природі не існує. Процеси теплообміну між тілами, залише­ними самими по собі, завжди відбуваються так, що гарячі тіла охолоджуються, передаючи енергію холоднішим, температура яких підвищується. Цей процес відбувається доти, поки температури тіл не зрівняються — в системі тіл встановиться теплова рівновага. Передавати теплоту в зворотному напря­мі — від холодних тіл до гарячих — можна лише штучно, виконуючи роботу (наприклад, як в холодильних машинах). Так само газ, який розширився і зайняв весь об’єм певної посудини, ніколи не збереться самовільно в одній з її частин. Щоб стиснути газ до попереднього об’єму, треба виконати над ним роботу. При цьому в оточуючих тілах стануться зміни: тіло, яке стискає газ, виконує роботу, віддаючи певну енергію іншому тілу.

Ще один приклад. Під час падіння каменя з деякої висоти вся кінетична енергія перетворюється у внутрішню енергію самого каменя і оточуючих його тіл, так що закон збереження енергії не порушується. Однак першому закону термодина­міки не суперечить і зворотний процес, при якому до лежа­чого на землі каменя передалась би від оточуючих тіл теплота, в результаті чого камінь піднявся б на попередню висоту. Але ніхто ніколи не спостерігав, щоб камені самі по собі підстрибували.

Подібних прикладів можна навести багато. Всі вони свідчать про те, що перший закон термодинаміки не накладає жодних обмежень на напрям перетворення енергії з одного виду в інший, вимагаючи лише збереження повного запасу енергії в замкнутих системах. Між тим досвід показує, що різні види енергії неоднаково здатні перетворюватися в інші види. Механічну енергію можна повністю перетворити у внутрішню енергію будь-якого тіла незалежно від того, яка була його температура. Дійсно, будь-яке тіло можна нагріти тертям, збільшивши його внутрішню енергію на величину, що дорівнює виконаній роботі. Але для зворотних перетворень внутрішньої енергії в інші види існують певні обмеження, які полягають у тому, що запас внутрішньої енергії за жодних умов не може повністю перетворитися в інші види енергії. З цими особливостями енергетичних перетворень пов’язаний напрям перебігу процесів у природі.

Передача теплоти від гарячого тіла до холодного, пере­творення механічної енергії у внутрішню, розширення газу у вакуумі — все це приклади найтиповіших необоротних процесів. Процес називають оборотним, якщо можливе по­вернення системи в початковий стан без будь-яких змін у навколишньому середовищі. Якщо таке повернення здійснити не можна, тобто після закінчення процесу в навколишніх тілах чи в даній системі залишились якісь зміни, процес є необоротним.

Необоротними є всі розглянуті вище процеси в ідеальному газі: ізотермічний, ізохорний, ізобарний і адіабатний. Напри­клад, у разі ізотермічного стискання газу частина теплоти через стінки циліндра передається навколишньому середовищу, і вона вже ніколи не повернеться до газу і не перетво­риться в механічну енергію поршня.

Усі процеси в природі супроводжуються теплопровідністю та тертям і тому необоротні. Поняття про оборотні процеси так само необхідне в термодинаміці, як у механіці поняття про матеріальну точку, абсолютно тверде тіло, рух без тертя, а в молекулярній фізиці ідеальний газ.

Положення про необоротність природних процесів стано­вить одне із загальних формулювань другого закону термо­динаміки. Цей закон, як і будь-який фундаментальний закон, є узагальненням великої кількості дослідних фактів. Він не має теоретичного виведення і тому приймається за постулат.

Існує багато різних формулювань другого закону термоди­наміки, які, відрізняючись за формою, збігаються за суттю. Фізичний смисл цього закону найчіткіше розкривається в такому формулюванні: теплота не може переходити сама по собі від тіла менш нагрітого до тіла більш нагрітого. Слід звернути увагу на те, що йдеться не взагалі про всі процеси з переходом теплоти від холодного тіла до гарячого, а лише про ті, в яких такий перехід є єдиним кінцевим результатом про­цесу.

Другий закон термодинаміки накладає обмеження на перетворення внутрішньої енергії в механічну. З формулю­вання цього закону випливає, що не можна побудувати ма­шину, яка б виконувала роботу лише за рахунок одержання теплоти з навколишнього середовища. Така гіпотетична ма­шина дістала назву «вічного» двигуна другого роду, оскільки внаслідок необмеженості запасів внутрішньої енергії в землі, океані, атмосфері така машина була б для всіх практичних цілей еквівалентною «вічному» двигунові. За рахунок одного лише запасу внутрішньої енергії, яка міститься у воді морів і океанів, можна було б приводити в рух машини всіх фабрик і заводів протягом багатьох тисячоліть. Причому за перші 1700 років такого використання внутрішньої енергії темпе­ратура води в океані знизилася б у середньому лише на одну соту градуса. Однак другий закон термодинаміки не дає такої блискучої можливості. Тому його часто формулюють так: вічний двигун другого роду неможливий.

Таким чином, якщо перший закон термодинаміки запе­речує можливість існування машини, за допомогою якої можна було б виробляти енергію з нічого, то другий закон заперечує можливість створення машини, здатної виконувати роботу лише за рахунок охолодження одного тіла.

Дата добавления: 2015-05-23