Рух тепла

Які процеси можуть протікати в ізольованій системі мимовільно? Чи залежить зміна внутрішньої енергії системи від шляху (способу) її переходу з одного стану в інший? Чи достатньо тільки закону збереження енергії для опису можливих мимовільних процесів в ізольованих системах.

Урок-лекція

ПЕРШИЙ ЗАКОН (ПЕРШЕ ПОЧАТОК) ТЕРМОДИНАМІКИ. Уявімо, що ми вивчаємо систему матеріальних тіл (це може бути сукупність якихось предметів – зошит, ручка, сумка і т. Д., Або молекули газу, або розчин, словом, що завгодно). Ця система тел відокремлена від навколишнього світу деякої оболонкою, уявної або дійсної (скажімо, газ або розчин в скляній посудині, речі в рюкзаку і т.д.). Прикладом може служити система «ідеальний газ в циліндрі з поршнем» (рис. 70).

Припустимо, що на газ зовнішній дії. Приміром, хтось зрушив поршень вліво або вправо. Ясно, що кількість газу при цьому не змінилося, а ось його об’єм і тиск стали іншими. Можна сказати так: система відгукнулася на зовнішній вплив.

Форма відгуку може бути різною в залежності від характеру впливу. Перша форма – це теплоперенос. У цьому випадку система втрачає або набуває деяку кількість теплоти (ΔQ) внаслідок того, що її нагріли, або охолодили, або надали на неї механічний вплив і т. Д.

Теплоперенос неможливий, якщо система ізольована в тепловому відношенні (тоді вона не може обмінюватися теплотою із зовнішнім світом і ΔQ = 0). Процеси, які відбуваються в такій системі, називають адіабатне.

Буває й інша форма відгуку системи на зовнішній вплив – це так звані робочі дії, або робота. Скажімо, система може здійснювати різні дії: механічні (газ, розширюючись, рухає поршень, піднімає вантаж, обертає колесо і т. Д.), Електричні (між системою, припустимо батарейкою, і зовнішнім середовищем йде електричний струм) або які-небудь інші. Позначимо загальна кількість роботи (будь-якого виду) через А.

Розглянемо тепер конкретний випадок. Система здійснює роботу над зовнішніми тілами. Приміром, газ, розширюючись, рухає поршень. Крім того, припустимо, що при цьому система отримує тепло із зовнішнього середовища (ми нагріваємо циліндр з газом), т. Е. Q> 0.

У результаті цих процесів (теплоперенос плюс робота) змінюється внутрішня енергія системи на величину ΔV (Згадайте, що таке внутрішня енергія тіла V.) У нашому прикладі (газ отримує кількість теплоти ΔQ ззовні і здійснює роботу А над поршнем) внутрішня енергія системи (т. е. газу) зменшується при скоєнні нею роботи над зовнішніми тілами (поршнем) і збільшується в результаті припливу тепла ззовні, т. е. відповідно до закону збереження енергії ми можемо записати Δv = ΔQ – A (1)

На відміну від закону збереження енергії в механіці в рівнянні (1) фігурує величина ΔQ. Вивчення руху і перетворення внутрішньої енергії становить предмет термодинаміки, а рівняння (1) являє собою математичний запис так званого першого закону (першого початку) термодинаміки.

Величина ΔV (на відміну від ΔQ і А) володіє однією важливою властивістю; якщо система переходить з одного (початкового) стану в інший (кінцеве), то зміна її внутрішньої енергії ΔV не залежить від шляху, по якому здійснився цей перехід, т. е. величина ΔV не залежить від того, за допомогою яких саме процесів (з числа можливих) система перейшла з початкового в кінцевий стан. Значення величини ΔV визначається тільки початковим і кінцевим станами. Величини, які, подібно О, володіють зазначеним властивістю, називають функціями стану системи.

ЕНТРОПІЯ І ДРУГИЙ ЗАКОН (ДРУГИЙ ПОЧАТОК) ТЕРМОДИНАМІКИ. Однак для термодинамічного опису різноманітних процесів одного першого закону термодинаміки недостатньо. Дійсно, є цілий ряд процесів, які не суперечать першому закону, але тим не менш мимовільно не відбуваються. Наприклад, тепло завжди переходить від більш гарячого тіла більш холодному. Отже, є ще один термодинамічний закон, який дозволяє одні мимовільні процеси, що не суперечать першому закону, і забороняє інші. Цей закон (його називають другим законом (другим початком) термодинаміки) має кілька формулювань.

Нехай дві дотичних тіла А і B повністю ізольовані від зовнішнього середовища. Але між самими тілами йде передача тепла від тіла А до тіла В, оскільки ТА> Тb (ситуація праска – штани).

Введемо для кожного тіла величину ΔS = ΔQ / Т, де Т – температура тіла, а ΔQ – тепло, отримане тілом. Якщо тіло не отримує, а віддає тепло, будемо величину ΔS визначати так само, але вважати, що ΔQ менше 0. Подивимося, як буде змінюватися сумарна величина ΔS = ΔSA + ΔSB в процесі теплопередачі. Оскільки QA + QB = 0 (тепло передається від одного тіла до іншого без втрат), отримаємо

ΔS = ΔQA / TA + ΔQB / Тb = ΔQB (1 / TB – 1 / ТА).

Оскільки тіло В отримує тепло, то ΔQB> 0, а так як Тb> ТА, то 1 / Тb – 1 / ТА> 0. Отже, ΔS> 0.

Таким чином, для розглянутого самовільного процесу в ізольованій системі величина ΔS позитивна і ΔQ / Т> 0.

Якщо ж процес рівноважний і оборотний (т. Е. ТА = Тb) і тіло А віддало тілу В деяку кількість теплоти, а потім така ж кількість теплоти отримало тому, має місце рівність ΔS = 0.

У термодинаміки вводиться функція стану 5, зміна якої визначається величиною ΔS. При цьому для оборотного (рівноважного) процесу, що протікає в ізольованій системі, S = 0, тоді як для незворотного (нерівноважного) процесу в такій системі S> 0.

Цю функцію стану, яка не убуває в будь-яких процесах, що відбуваються в ізольованих системах, німецький фізик Рудольф Клаузіус назвав ентропією. Отже, другий закон термодинаміки у формулюванні Клаузіуса говорить: в ізольованій системі мимовільно можуть протікати тільки процеси, які ведуть до збільшення ентропії.

Більш загальне визначення ентропії, а отже, і другого закону термодинаміки було запропоновано австрійським фізиком Людвігом Больцманом. Згідно Больцману, ентропія є міра хаотичності, невпорядкованості системи. Порівняємо, наприклад, три об’єкти: лід, рідку воду і водяну пару. У кристалах льоду молекули розташовані впорядковано. У рідині порядки менше – там є так званий ближній порядок (т. Е. Зберігається більш-менш правильне оточення кожної частки), але дальній порядок порушений. Молекули ж газу рухаються хаотично.

Тоді другий закон (другий початок) термодинаміки можна сформулювати так: в ізольованій системі мимовільно можуть протікати тільки такі процеси, які ведуть до збільшення невпорядкованості системи, т. Е. До збільшення ентропії.

З проявом закону зростання ентропії ми стикаємося досить часто: коли спостерігаємо процеси розчинення, дифузії газів і рідин, випаровування рідин, коли при нагріванні тверде або рідке тіло розкладається з виділенням газу (наведіть приклади), коли ми розбиваємо яйце або щось ламаємо і т . д. Саме в силу закону зростання ентропії відомий вислів «ламати – не будувати» знаходить фізичний зміст.

Як ви знаєте з курсу фізики, швидкість руху тепла, або, точніше, кількості тепла, викликаного в одиницю часу визначається теплопровідністю, яка суттєво різна для різних речовин. Саме тому дотик до металевих предметів на морозі або, навпаки, в сауні сприймається болісно. Саме тому не рекомендується сидіти на металевих предметах, каменях, бетоні.

Яким чином може змінюватися внутрішня енергія газу?
Зміни яких величин залежать і зміни яких величин не залежить від способу переходу системи (наприклад, газу) з одного стану в інший?

Посилання на основну публікацію