Обратимые и необратимые процессы в термодинамике

Презентация

Обратимые и необратимые процессы в термодинамике

Инфоурок › Физика ›Презентации›Презентация «Обратимые и необратимые процессы. Необратимость тепловых процессов. Второй закон термодинамики»

Описание презентации по отдельным слайдам:

1 слайдОписание слайда:

Обратимые и необратимые процессы. Необратимость тепловых процессов. Второй закон термодинамики

2 слайдОписание слайда:

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.

3 слайдОписание слайда:

Из первого закона термодинамики направленность и тем самым необратимость тепловых процессов не вытекает. Первый закон термодинамики требует лишь, чтобы количество теплоты, отданное одним телом, в точности равнялось количеству теплоты, которое получит другое.

4 слайдОписание слайда:

Реальные тепловые процессы необратимы.

5 слайд 6 слайдОписание слайда:

Примеры: При диффузии выравнивание концентраций происходит самопроизвольно. Обратный же процесс сам по себе никогда не пойдет: никогда самопроизвольно смесь газов, например, не разделится на составляющие ее компоненты. Следовательно, диффузия — необратимый процесс.

7 слайдОписание слайда:

Теплообмен, как показывает опыт, также является односторонне направленным процессом. В результате теплообмена энергия передается сама по себе всегда от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. Обратный процесс передачи теплоты от холодного тела к горячему сам по себе никогда не происходит.

8 слайдОписание слайда:

Необратимым является также процесс превращения механической энергии во внутреннюю при неупругом ударе или при трении.

9 слайд 10 слайдОписание слайда:

Существуют несколько формулировок второго закона термодинамики. Одна из них принадлежит немецкому учёному Р. Клаузису – «Невозможен процесс, единственным результатом которого был бы переход количества теплоты от холодного тела к горячему». Другими словами, теплообмен в замкнутой системе может происходить только в одном направлении – от горячего тела к холодному.

11 слайд 12 слайдОписание слайда:

Вечный двигатель первого рода — непрерывно или периодически действующая машина, которая совершала бы работу, большую подводимой к ней извне энергии, нарушает закон сохранения энергии, он же первое начало термодинамики Из второго закона термодинамики вытекает невозможность создания вечного двигателя второго рода, т.е. двигателя, который бы совершал работу за счет охлаждения какого-либо одного тела.

13 слайдОписание слайда:

Статистическое истолкование необратимости процессов в природе Пронумеруем молекулы цифрами 1, 2, 3, 4.

Возможны 16 различных микросостояний, все они изображены на рисунке Вероятность того, что все молекулы соберутся в левой половине сосуда, равна: Вероятность же того, что молекулы распределятся поровну, будет в 6 раз больше: Вероятность того, что в одной половине сосуда, например левой, будет три молекулы, а в другой соответственно одна молекула, равна Большую часть времени молекулы будут распределены в половинках сосуда поровну: это наиболее вероятное состояние.

14 слайд 15 слайдОписание слайда:

Молекулы идеального газа движутся практически независимо друг от друга. Для одной молекулы вероятность того, что она окажется в левой половине сосуда, равна, очевидно, 1/2. Такова же вероятность и для другой молекулы.

Эти события независимы, и вероятность того, что первая и вторая молекулы окажутся в левой половине сосуда, равна произведению вероятностей событии:1/2•1/2=1/4=1/22. Для трех молекул вероятность их нахождения в левой половине сосуда равна 1/23, а для четырех — 1/24.

Именно такое значение вероятности мы и получили при детальном рассмотрении распределения молекул по сосуду.

16 слайдОписание слайда:

Но если взять реальное число молекул газа в 1 см3 при нормальных условиях (n=3•1019), то вероятность того, что молекулы соберутся в одной половине сосуда объемом 1 см3, будет совершенно ничтожна: Таким образом, только из-за большого числа молекул в макросистемах процессы в природе оказываются практически необратимыми.

В принципе обратные процессы возможны, но вероятность их близка к нулю. Не противоречит, строго говоря, законам природы процесс, в результате которого при случайном движении молекул все они соберутся в одной половине класса, а учащиеся в другой половине класса задохнутся. Но реально это событие никогда не происходило в прошлом и не произойдет в будущем.

Слишком мала вероятность подобного события, чтобы оно когда-либо случилось за все время существования Вселенной в современном ее состоянии — около нескольких миллиардов лет.

По приблизительным оценкам, эта вероятность примерно такого же порядка, как и вероятность того, что 20 000 обезьян, хаотично ударяя по клавишам пишущих машинок, напечатают без единой ошибки «Войну и мир» Л. Н. Толстого. В принципе это возможно, но реально никогда не произойдет.

17 слайдОписание слайда:

Необратимость процессов в природе связана со стремлением систем к переходу в наиболее вероятное состояние, которому отвечает максимальный беспорядок.

Курс повышения квалификации

ЕГЭ по физике: методика решения задач

Общая информация

Источник: https://infourok.ru/prezentaciya-obratimie-i-neobratimie-processi-neobratimost-teplovih-processov-vtoroy-zakon-termodinamiki-1843107.html

Второй закон термодинамики. Необратимость тепловых процессов. урок. Физика 10 Класс

Обратимые и необратимые процессы в термодинамике

Как вы думаете, какое состояние достигается проще, порядок или хаос? За примерами далеко ходить не нужно, достаточно вспомнить свою собственную комнату. Может ли быть такое, чтобы в комнате сам собой вдруг образовался порядок, все вещи лежали на своих местах? Конечно же, нет.

Продолжая подбирать примеры, поговорим про пластилин. Берем, например, два куска пластилина, синий и желтый, перемешиваем их несколькими движениями рук и получаем зеленый комок. Можно ли теперь, в точности повторив движения рук, но в обратном направлении, снова получить синий и желтый куски? Конечно, нет.

Мы прекрасно знаем, что в этом случае мы лишь сильнее перемешаем исходные два куска пластилина.

Причем же здесь термодинамика? Напомню: на прошлом уроке мы говорили о сохранении энергии в смысле более широком, чем просто сохранение механической энергии, сумме кинетической и потенциальной энергии движения тела, и итогом прошлого урока стала формулировка так называемого первого закона термодинамики.

Кроме этого, напомню, мы поставили перед собой задачу разобраться, как превратить тепловую энергию движения молекул в механическую работу, сделать это максимально эффективно. В идеале для этого необходимо всю энергию теплового движения превратить в полезную работу.

Итак, сегодня мы поговорим об этом вопросе и как это связано с нашими примерами.

Отклоненный от положения равновесия маятник рано или поздно остановится, запущенное от руки колесо перевернутого велосипеда сделает много оборотов, но, в конце концов, тоже прекратит движение.

Нет исключения из важного закона: все окружающие нас тела, движущиеся самопроизвольно, в конце концов, остановятся. Если имеются два тела, нагретое и холодное, то тепло будет передаваться от первого тела до второго, до тех пор, пока температуры не уравновесятся (см. рис.

1), тогда теплопередача прекратится, состояние тел перестанет изменяться, установится тепловое равновесие.

Рис. 1. Передача тепла между двумя телами

Нет такого явления, при котором тела самопроизвольно выходили бы из состояния равновесия. Не может быть такого случая, чтобы покоящийся маятник вдруг начал колебаться сам по себе. Не бывает и так, чтобы нагрелся сам по себе стоящий на столе стакан воды.

Стремление к равновесию означает, что у событий имеется естественный ход, тепло самопроизвольно переходит от горячего к холодному и не будет переходить самопроизвольно от холодного тела к горячему.

Механическая энергия колеблющегося маятника благодаря сопротивлению воздуха и трению в подвесе перейдет в тепло.

Однако ни при каких условиях маятник не начнет раскачиваться за счет тепла, имеющегося в окружающей среде, тела приходят в состояния равновесия, но самопроизвольно выйти из него не могут.

Этот закон природы сразу же говорит нам, какая часть тепловой энергии для нас совершенно бесполезна, – это энергия теплового движения тех тел, которые находятся в состоянии равновесия. Ее мы никак не сможем превратить в полезную механическую работу.

Проведем простую оценку того, какую долю энергии мы в результате такого закона природы фактически теряем или, можно сказать, недополучаем. Эту оценку мы сделаем в первом ответвлении.

Оценка энергии теплового движения молекул

Итак, проведем оценку тепловой энергии движения молекул, которая для нас не эффективна с точки зрения механической работы.

Оказывается, эта часть энергии очень велика, например, если понизить температуру на один градус, то килограмм земли, имеющей теплоемкость , потеряет соответственно 0,84 кДж, относительно небольшая цифра.

Однако представим, какую энергию мы получили бы, если бы довелось охладить всего лишь на 1 градус такого вещества в массе всего земного шара. Масса Земли равна . Умножая, мы получим грандиозную цифру, приблизительно .

Чтобы вы могли представить эту величину, скажем тут же, что в настоящее время энергия, вырабатываемая ежегодно электростанциями всего мира, равна приблизительно , т. е. примерно в миллиард раз меньше.

Итак, мы только что убедились, что система тел, находящихся в тепловом равновесии друг с другом, с энергетической точки зрения нам не интересна.

Значит, для того чтобы превратить тепловую энергию в механическую или осуществить процесс передачи тепла от одного тела к другому, нам необходимо найти такие системы, добиться того, чтобы тела в этих системах не находились в состоянии теплового равновесия.

Все вышесказанное можно сформулировать в виде так называемого второго закона или второго начала термодинамики: невозможен процесс, единственным результатом которого стала передача тепла от более холодного тела к более горячему в замкнутой системе тел.

Второй закон термодинамики подчеркивает направление тепловых процессов, протекающих в природе, отражая необратимость таких процессов, т. е. они могут самопроизвольно протекать только в одном направлении. Вспомните пример в начале урока с порядком в вашей комнате.

Другие примеры: при неупругом ударе кинетическая энергия тел переходит в внутреннюю (см. рис. 2). При контакте двух тел с разной температурой тепло всегда переходит от горячего тела к холодному (см. рис.

1), в обратном направлении самопроизвольно такие процессы протекать не могут.

Рис. 2. Пример неупругого удара и перехода кинетической энергии во внутреннюю

Дополнительную полезную информацию о втором законе вы получите, просмотрев следующее ответвление.

Статистическое толкование второго закона

Второй закон термодинамики констатирует необратимость тепловых процессов в природе, однако не дает ему никакого объяснения. Объяснение может быть получено на основании молекулярно-кинетической теории, которую мы с вами хорошо уже знаем.

Если взять простейшую модель газа, совокупность упругих шариков, то газ в целом будет обнаруживать определенную направленность поведений. Например, будучи сжатым в половине сосуда (см. рис. 3), он начнет расширяться и займет весь сосуд, снова он не сожмется.

Уравнение движения каждой молекулы, шарика обратимо во времени, так как содержат только силы, зависящие от расстояния и проявляющиеся при столкновении молекул.

Рис. 3. Модель газа в сосуде

Таким образом, задача состоит не только в объяснении необратимости макроскопических процессов, но и в объяснении соответствия необратимости макропроцессов обратимости микропроцессов, которые описываются уравнениями Ньютона.

Заслуга в нахождении принципиально правильно подхода к решению этой проблемы принадлежит австрийскому ученому Больцману. Сама теория Больцмана достаточно сложна, поэтому приведем некоторые упрощенные примеры, которые позволять вам понять идею, лежащую в основе теории Больцмана.

Допустим, с понедельника вы решили начать новую жизнь, непременным условием этого является идеальный или близкий к идеальному порядок на письменном столе. Вы расставляете все предметы и книги на строго определенные места, и у вас на столе царит состояние, которое в полном праве можно назвать порядком.

Что произойдет с течением времени, хорошо известно. Вы забываете ставить предметы и книги на строго определенные места, и в итоге через некоторое время на столе воцаряется состояние хаоса.

Нетрудно понять, с чем это связано: состоянию порядка отвечает только одно определенное расположение предметов, а состоянию хаоса – несравнимо большее число предметов, и, как только предметы начинают занимать произвольное положение, не контролируемое вашей волей, на столе само собой возникает более вероятное состояние, т. е. состояние хаоса. Точно так же и с молекулами: в силу хаотичности их движения молекулы воздуха, например в комнате, будут занимать весь предоставленный объем, ведь это более куда вероятная ситуация, чем если бы они случайным образом скопились, например в одном углу. Таким образом, вероятностный или, как говорят в физике, статистический подход, который впервые предложил Больцман, позволяет понять, почему тепловые процессы являются необратимыми.

Поговорим о равновесных и неравновесных процессах.

В обратимых процессах система проходила бы в обратном направлении, через те же самые состояния, что и в прямом, менялся лишь бы только порядок этих состояний.

Вспомните пример с пластилином: если бы все происходило обратимо, то у нас бы менялся только порядок движения руками. Еще одним примером обратимого процесса могли бы быть колебания идеального маятника.

Как мы помним, состоянием термодинамического равновесия системы называется такое ее состояние, в котором для системы определены численные значения всех макроскопических параметров: давление, объем, температура. На любых диаграммах равновесное состояние изображается точкой (см. рис. 4).

Равновесный же процесс представляет из себя цепочку равновесных состояний. На диаграммах равновесный процесс будет изображаться непрерывной линией.

Процесс можно считать равновесным, если изменение параметров происходит очень медленно, фактически можно считать, что система последовательно переходит от одного равновесного состояния к другому, такие процессы еще называют квазистатическими.

Рис. 4. Изображения равновесного состояния на диаграмме

Пример квазистатического равновесного процесса: пусть имеется вертикальный цилиндр с газом под поршнем (см. рис. 5). Положим на поршень песчинку, потом другую, третью, сотую, тысячную, получим чрезвычайно медленное сжатие газа, представляющее собой череду сменяющих друг друга равновесных состояний.

А теперь будем снимать песчинки обратно, все так же по одной, получим квазистатическое равновесное расширение газа, при этом газ пройдет в обратном направлении, причем через те же самые состояния, которые он проходил в предыдущем процессе равновесного сжатия.

Действительно, раз при каждом движении поршня успевает установиться тепловое равновесие, то значение макропараметров определяется только самым положением поршня, но никак не направлением его движения вверх или в низ.

Таким образом, мы видим, что равновесный процесс является обратимым, его можно провести в обратном направлении через ту же самую цепочку равновесных состояний.

Рис. 5. Вертикальный цилиндр с газом под поршнем

На диаграммах состояния (см. рис. 6) обратимый процесс идет по одной и той же линии как в прямом, так и в обратном направлении.

Рис. 6. Диаграмма состояния процесса при сжатии

При решении задач об идеальном газе в рамках молекулярно-кинетической теории мы, кстати, негласно полагаем все процессы равновесными. В реальности, конечно же, следует понимать, что это не совсем так. Вернемся к примеру с поршнем (см. рис. 5): если вместо песчинок на поршень поставить увесистую гирю, то процесс сжатия газа пойдет очень быстро.

Давление газа непосредственно под поршнем будет больше, чем у дна сосуда, и мы уже не сможем охарактеризовать состояние газа в каждый момент времени каким-то одним значением давления.

Состояния, проходимые газом, не будут состояниями теплового равновесия, потому что макропараметры: давление, температура, объем – не будут успевать принимать определенные значения для всего газа, в разных точках газа они будут разными.

Стало быть, процесс быстрого сжатия газа будет не равновесным, кроме того, такой процесс будет необратимым, ведь если столь же быстро расширять газ, то давление непосредственно под поршнем теперь окажется меньше, чем у дна сосуда. Следовательно, при быстром расширении газ проходит через другую цепочку состояний, чем в процессе сжатия (см. рис. 7).

Рис. 7. Диаграмма состояния процесса при расширении

Можно обобщить: процессы, идущие бесконечно медленно, являются обратимыми. Это идеализация. Реальные процессы идут с конечной скоростью и потому необратимы.

Вот мы и подошли к разрешению проблемы, о которой мы говорили в начале урока. Почему же в комнате сам собой не образуется порядок, а так просто образуется хаос? Очевидно, речь как раз идет о таких равновесных и неравновесных процессах с точки зрения термодинамики, а с точки зрения нашей жизни – обратимых или необратимых процессах. Более подробно об этом идет речь во втором ответвлении.

Теперь мы знаем, в каком направлении могут происходить самопроизвольные тепловые процессы. В ходке таких процессов любая система стремится к тепловому равновесию, теплое тело отдает тепло холодному до тех пор, пока температуры у них не выровняются, именно об этом говорит второй закон термодинамики, который мы сформулировали на этом уроке.

Список литературы

1. Касьянов В.А. Физика 10 класс. – М.: Дрофа, 2010.

2. Мякишев Г.Я., Синяков А.З. Молекулярная физика. Термодинамика. – М.: Дрофа, 2010.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал Bourabai Research (Источник)

2. Интернет-сайт http://www.tepka.ru/ (Источник)

Домашнее задание

1. Дайте определение второму закону термодинамики.

2. Что подразумевается под равновесными и неравновесными процессами?

3. Как вы бы растолковали понятие «термодинамическая система»?

Источник: https://interneturok.ru/lesson/physics/10-klass/osnovy-termodinamiki/vtoroy-zakon-termodinamiki-neobratimost-teplovyh-protsessov

2.4 Основы термодинамики

Обратимые и необратимые процессы в термодинамике

Термодинамическийпроцесс называется обратимым, еслион может происходить как в прямом, таки в обратном направлении, причем еслитакой процесс происходит сначала впрямом, а затем в обратном направлениии система возвращается в исходноесостояние, то в окружающей среде и вэтой системе не происходит никакихизменений.

Всякий процесс,не удовлетворяющий этим условиям,является необратимым.

Любой равновесныйпроцесс является обратимым. Обратимостьравновесного процесса, происходящегов системе, следует из того, что ее любоепромежуточное состояние есть состояниетермодинамического равновесия; независимоот того идет ли процесс в прямом или вобратном направлении. Реальные процессысопровождаются рассеянием энергии(из-за трения, теплопроводности и т.д.

),которая нами не рассматривается.Обратимые процессы – это идеализацияреальных процессов.

Их рассмотрениеважно по 2-мпричинам: 1) многиепроцессы в природе и технике практическиобратимы; 2) обратимые процессы являютсянаиболее экономичными; имеют максимальныйтермический коэффициент полезногодействия, что позволяет указать путиповышения КПД реальных тепловыхдвигателей.

Работа газа при изменении его объема

Работа совершаетсятолько тогда, когда изменяется объем.

Найдем в общемвиде внешнюю работу, совершаемую газомпри изменении его объема. Рассмотрим,например, газ, находящийся под поршнемв цилиндрическом сосуде. Если газ,расширяясь, передвигает поршень набесконечно малое расстояние dl,то производит над ним работу

A=Fdl=pSdl=pdV, где S-площадь поршня,Sdl=dV-изменениеобъема системы. Таким образом, A=pdV.(1)

Полную работу А,совершаемую газом при изменении егообъема от V1 до V2,найдем интегрированием формулы (1): A=pdV(отV1 до V2).(2)

Результатинтегрирования определяется характеромзависимости между давлением и объемомгаза. Найденное для работы выражение(2) справедливо при любых измененияхобъема твердых, жидких и газообразныхтел.

П

Полная работа газа будет равна площади фигуры, ограниченной осью абсцисс, кривой и значениями V1,V2.

роизведенную при том или иномпроцессе работу можно изобразитьграфически с помощью кривой в координатахp,V.

Графически можноизображать только равновесные процессы– процессы, состоящие из последовательностиравновесных состояний.

Они протекаюттак , что изменение термодинамическихпараметров за конечный промежутоквремени бесконечно мало.

Все реальныепроцессы неравновесны (они протекаютс конечной скоростью), но в ряде случаевих неравновесностью можно пренебречь(чем медленнее процесс протекает, темон ближе к равновесному).

Первое начало термодинамики

Существует 2 способаобмена энергией между телами:

  1. передача энергии через перенос тепла (посредством теплопередачи);

  2. через совершение работы.

Такимобразом, можно говорить о 2-х формахпередачи энергии от одних тел к другим:работе и теплоте. Энергия механическогодвижения может превращаться в энергиютеплового движения, и наоборот. При этихпревращениях соблюдается закон сохраненияи превращения энергии; применительнок термодинамическим процессам этимзаконом и является первое началотермодинамики:

∆U=Q-A или Q=∆U+A.(1)

Т.е,теплота, сообщаемая системе, расходуетсяна изменение ее внутренней энергии ина совершение ею работы против внешнихсил. Это выражение в дифференциальнойформе будет иметь вид Q=dU+A(2),где dU- бесконечно малоеизменение внутренней энергии системы,A-элементарная работа, Q– бесконечно малое количество теплоты.

Изформулы (1) следует, что в СИ количествотеплоты выражается в тех же единицах,что работа и энергия, т.е. в джоулях(Дж).

Еслисистема периодически возвращается впервоначальное состояние, то изменениеее внутренней энергии ∆U=0.Тогда, согласно 1-му началу термодинамики,A=Q,

Т.евечный двигатель первого рода –периодически действующий двигатель,который совершал бы большую работу, чемсообщенная ему извне энергия, — невозможен(одна из формулировок 1-го началатермодинамики).

Применение 1-гоначала термодинамики к изопроцессам ик адиабатическому процессу.

Среди равновесныхпроцессов, происходящих с термодинамическимисистемами, выделяются изопроцессы, прикоторых один из основных параметровсостояния сохраняется постоянным.

Изохорный процесс(V=const)

При таком процессегаз не совершает работы над внешнимителами, т.е A=pdV=0.

Тогда, из 1-го началатермодинамики следует, что вся теплота,переданная телу, идет на увеличение еговнутренней энергии: Q=dU.Зная, что dUm=CvdT.

Тогда для произвольноймассы газа получим Q=dU=m\M*CvdT.

Изобарный процесс(p=const).

Приэтом процессе работа газа при увеличенииобъема от V1 до V2равна A= pdV(отV1 до V2)=p(V2-V1)и определяется площадью фигуры,ограниченной осью абсцисс, кривой p=f(V)и значениями V1,V2.Если вспомнить ур-е Менделеева-Клапейронадля выбранных нами 2-х состояний, то

pV1=m\M*RT1, pV2=m\M*RT2,откуда V1-V2=m\M*R\p(T2-T1).Тогда выражение для работы изобарногорасширения примет вид A=m\M*R(T2-T1)(1.1).

Приизобарном процессе при сообщении газумассой m количестватеплоты

Q=m\M*CpdT его внутренняя энергия возрастает навеличину dU=m\M*CvdT.При этом газ совершает работу, определяемуювыражением (1.1).

Изотермическийпроцесс (T=const).

Этотпроцесс описывается законом Бойля-Мариотта:pV=const.

Найдемработу изотермического расширениягаза: A= pdV(отV1 до V2)=m/M*RTln(V2/V1)=m/M*RTln(p1/p2).

Т.кпри Т=const внутренняяэнергия идеального газа не изменяется:dU=m/M*CvdT=0,то из 1-го начала термодинамики (Q=dU+A)следует, что для изотермического процессаQ=A,т.е все количество теплоты, сообщаемоегазу, расходуется на совершение имработы против внешних сил:Q=A=m/M*RTln(p1/p2)=m/M*RTln(V2

/V1).

Следовательно,чтобы при расширении газа температуране понижалась, к газу в течениеизотермического процесса необходимоподводить количество теплоты, эквивалентноевнешней работе расширения.

Источник: https://studfile.net/preview/604013/

Booksm
Добавить комментарий