Естествознание
10 класс

§ 60. Движение тепла

Если окажется, что ваша теория противоречит
опыту, — ну, что ж, вы можете всегда сказать, что
экспериментаторы ошибаются. Но если окажется, что
ваша теория противоречит второму началу термодинамики,
дело плохо.
А. Эддингтон

Какие процессы могут протекать в изолированной системе самопроизвольно? Зависит ли изменение внутренней энергии системы от пути (способа) ее перехода из одного состояния в другое? Достаточно ли только закона сохранения энергии для описания возможных самопроизвольных процессов в изолированных системах.

Урок-лекция

ПЕРВЫЙ ЗАКОН (ПЕРВОЕ НАЧАЛО) ТЕРМОДИНАМИКИ. Представим, что мы изучаем систему материальных тел (это может быть совокупность каких-то предметов — тетрадь, ручка, сумка и т. д., или молекулы газа, или раствор, словом, что угодно). Эта система тел отделена от окружающего мира некоторой оболочкой, воображаемой или действительной (скажем, газ или раствор в стеклянном сосуде, вещи в рюкзаке и т.д.). Примером может служить система «идеальный газ в цилиндре с поршнем» (рис. 70).

Рис. 70. Идеальный газ в цилиндре с поршнем

Движение поезда

Допустим, что на газ оказано внешнее воздействие. К примеру, кто-то сдвинул поршень влево или вправо. Ясно, что количество газа при этом не изменилось, а вот его объем и давление стали другими. Можно сказать так: система откликнулась на внешнее воздействие.

Форма отклика может быть разной в зависимости от характера воздействия. Первая форма — это теплоперенос. В этом случае система теряет или приобретает некоторое количество теплоты (ΔQ) вследствие того, что ее нагрели, или охладили, или оказали на нее механическое воздействие и т. д.

Теплоперенос невозможен, если система изолирована в тепловом отношении (тогда она не может обмениваться теплотой с внешним миром и ΔQ = 0). Процессы, которые происходят в такой системе, называют адиабатными.

Бывает и иная форма отклика системы на внешнее воздействие — это так называемые рабочие действия, или работа. Скажем, система может совершать различные действия: механические (газ, расширяясь, двигает поршень, поднимает груз, вращает колесо и т. д.), электрические (между системой, допустим батарейкой, и внешней средой идет электрический ток) или какие-либо иные. Обозначим общее количество работы (любого вида) через А.

Рассмотрим теперь конкретный случай. Система совершает работу над внешними телами. К примеру, газ, расширяясь, двигает поршень. Кроме того, допустим, что при этом система получает тепло из внешней среды (мы нагреваем цилиндр с газом), т. е. Q > 0.

В результате этих процессов (теплоперенос плюс работа) изменяется внутренняя энергия системы на величину ΔV (Вспомните, что такое внутренняя энергия тела V.) В нашем примере (газ получает количество теплоты ΔQ извне и совершает работу А над поршнем) внутренняя энергия системы (т. е. газа) уменьшается при совершении ею работы над внешними телами (поршнем) и увеличивается в результате притока тепла извне, т. е. в соответствии с законом сохранения энергии мы можем записать Δv = ΔQ - A (1)

В отличие от закона сохранения энергии в механике в уравнении (1) фигурирует величина ΔQ. Изучение движения и превращения внутренней энергии составляет предмет термодинамики, а уравнение (1) представляет собой математическую запись так называемого первого закона (первого начала) термодинамики.

Величина ΔV (в отличие от ΔQ и А) обладает одним важным свойством; если система переходит из одного (начального) состояния в другое (конечное), то изменение ее внутренней энергии ΔV не зависит от пути, по которому совершился этот переход, т. е. величина ΔV не зависит от того, с помощью каких именно процессов (из числа возможных) система перешла из начального в конечное состояние. Значение величины ΔV определяется только начальным и конечным состояниями. Величины, которые, подобно О, обладают указанным свойством, называют функциями состояния системы.

ЭНТРОПИЯ И ВТОРОЙ ЗАКОН (ВТОРОЕ НАЧАЛО) ТЕРМОДИНАМИКИ. Однако для термодинамического описания разнообразных процессов одного первого закона термодинамики недостаточно. Действительно, есть целый ряд процессов, которые не противоречат первому закону, но тем не менее самопроизвольно не происходят. Например, тепло всегда переходит от более горячего тела к более холодному. Следовательно, есть еще один термодинамический закон, который разрешает одни самопроизвольные процессы, не противоречащие первому закону, и запрещает другие. Этот закон (его называют вторым законом (вторым началом) термодинамики) имеет несколько формулировок.

Пусть два соприкасающихся тела А и B полностью изолированы от внешней среды. Но между самими телами идет передача тепла от тела А к телу В, поскольку ТА > ТB (ситуация утюг — брюки).

Введем для каждого тела величину ΔS = ΔQ/Т, где Т — температура тела, а ΔQ — тепло, полученное телом. Если тело не получает, а отдает тепло, будем величину ΔS определять так же, но полагать, что ΔQ меньше 0. Посмотрим, как будет изменяться суммарная величина ΔS = ΔSA + ΔSB в процессе теплопередачи. Поскольку QA + QB = 0 (тепло передается от одного тела к другому без потерь), получим

ΔS = ΔQA/TA + ΔQBB = ΔQB(1/TB — 1/ТА).

Поскольку тело В получает тепло, то ΔQB>0, а так как ТB > ТА, то 1/ТB - 1/ТА>0. Следовательно, ΔS>0.

Таким образом, для рассмотренного самопроизвольного процесса в изолированной системе величина ΔS положительна и ΔQ/Т> 0.

Если же процесс равновесный и обратимый (т. е. ТА = ТB) и тело А отдало телу В некое количество теплоты, а затем такое же количество теплоты получило назад, имеет место равенство ΔS = 0.

В термодинамике вводится функция состояния 5, изменение которой определяется величиной ΔS. При этом для обратимого (равновесного) процесса, протекающего в изолированной системе, S = 0, тогда как для необратимого (неравновесного) процесса в такой системе S>0.

Эту функцию состояния, которая не убывает в любых процессах, происходящих в изолированных системах, немецкий физик Рудольф Клаузиус назвал энтропией. Итак, второй закон термодинамики в формулировке Клаузиуса гласит: в изолированной системе самопроизвольно могут протекать только процессы, которые ведут к увеличению энтропии.

Более общее определение энтропии, а следовательно, и второго закона термодинамики было предложено австрийским физиком Людвигом Больцманом. Согласно Больцману, энтропия есть мера хаотичности, неупорядоченности системы. Сравним, к примеру, три объекта: лед, жидкую воду и водяной пар. В кристаллах льда молекулы расположены упорядоченно. В жидкости порядка меньше — там есть так называемый ближний порядок (т. е. сохраняется более или менее правильное окружение каждой частицы), но дальний порядок нарушен. Молекулы же газа движутся хаотически.

Тогда второй закон (второе начало) термодинамики можно сформулировать так: в изолированной системе самопроизвольно могут протекать только такие процессы, которые ведут к увеличению неупорядоченности системы, т. е. к увеличению энтропии.

С проявлением закона возрастания энтропии мы сталкиваемся довольно часто: когда наблюдаем процессы растворения, диффузии газов и жидкостей, испарения жидкостей, когда при нагревании твердое или жидкое тело разлагается с выделением газа (приведите примеры), когда мы разбиваем яйцо или что-то ломаем и т. д. Именно в силу закона возрастания энтропии известное выражение «ломать — не строить» обретает физический смысл.

Как вы знаете из курса физики, скорость движения тепла, или, точнее, количества тепла, протекающего в единицу времени определяется теплопроводностью, которая существенно различна для разных веществ. Именно поэтому прикосновение к металлическим предметам на морозе или, наоборот, в сауне воспринимается болезненно. Именно поэтому не рекомендуется сидеть на металлических предметах, камнях, бетоне.

  • Каким образом может изменяться внутренняя энергия газа?
  • Изменения каких величин зависят и изменения каких величин не зависят от способа перехода системы (например, газа) из одного состояния в другое?

Рейтинг@Mail.ru