фопросы (Ответы на экзамен), страница 5

Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого является передача теплоты от менее нагретого тела к более нагретому.

Эти формулировки показывают, что тепловые процессы являются необратимыми. Мерой необратимости процесса, мерой хаотичности является энтропия.

К определению энтропии S можно прийти на основе анализа работы тепловых машин. Если система получает тепло (Q=0) или отдает тепло (Q<0), то состояние ее меняется. Тогда, при изменении состояния системы, можно найти не саму энтропию, а только ее изменение, т. е. ∆S=∆Q/T Для тепловой машины изменение энтропии нагревателя и холодильника равны: ∆S₁=Q₁/T₁ и ∆S₂=Q₂/T₂

Формула ∆S=∆Q/T справедлива для изотермического процесса и представляет собой термодинамическое определение энтропии. Энтропией называется термодинамическая величина, изменение которой в системе пропорционально ее тепловой энергии, деленной на абсолютную температуру. Для любого процесса можно найти бесконечно малое изменение энтропии, т. е. ее дифференциал dS=δQ/T

где δQ - элементарная теплота В интегральной форме для любого процесса изменение энтропии равно

Н айдем изменение энтропии за один цикл для тепловой машины. Из неравенства следует, что ∆S₂≥∆S₁. Полное изменение энтропии за цикл больше или равно нулю ∆S=∆S₂-∆S₁≥0

Знак равенства ΔS = 0 относится к обратимым процессам, которые являются бесконечно медленными процессами.

Знак неравенства ΔS > 0 относится к необратимым процессам. В реальных системах все процессы необратимы. Например, расширение газа, выравнивание температуры.

Таким образом, второе начало термодинамики формулируется и как закон возрастания энтропии. Во всех необратимых процессах в замкнутой системе энтропия всегда возрастает. Возрастание энтропии сопровождается выравниванием температуры или плотности газа. Это можно связать с порядком и беспорядком. Под порядком будем понимать сосредоточение частиц или энергии в определенном месте пространства, а под беспорядком (хаосом) - равномерное распределение их во всем объеме. Тогда возрастание энтропии при совершающихся без внешних воздействий необратимых процессах отражает природное стремление систем переходить от состояния более упорядоченного в состояние менее упорядоченное. Этот процесс сопровождается рассеянием (или диссипацией) энергии. Второе начало термодинамики определяет направленность тепловых процессов в изолированных системах, они всегда протекают в сторону роста энтропии, в сторону увеличения беспорядка. Возникновение упорядоченных структур возможно только в незамкнутых, т. е. в открытых системах. Открытой системой называется система, которая обменивается энергией и веществом с окружающей средой. В открытых системах энтропия может как возрастать, так и убывать в зависимости от знака Q/T.

Строго доказано, что в открытых системах, находящихся в неравновесном состоянии, при определенных условиях из хаоса может возникать порядок. Процесс возникновения из хаоса упорядоченных структур называется самоорганизацией. Процессы самоорганизации являются общими для живой и неживой природы.

Переход к статистическому весу позволяет записать выражение для энтропии в следующем виде:

     S=klnG Эта формула носит название формулы Больцмана. Она позволяет рассчитать статистическую энтропию системы.

Из этой формулы следует, что энтропия термодинамической системы со статистическим весом равным единице, когда все частицы системы находятся в одинаковых состояниях, равна нулю. А в состоянии с максимальным статистическим весом энтропия также принимает максимальное значение.

     Для статистической энтропии выполняется требование аддитивности. Если система может быть разделена на две не взаимодействующие подсистемы, статистические веса которых соответственно равны G1и G2, то её статистический вес G вычисляется как произведение весов подсистем: G=G₁G₂. При этом энтропия в соответствии с формулой равна: S=klnG=kln(G1G2)=klnG1+klnG2 или S=S1+S2 Следовательно, статистическая энтропия макроскопической системы, состоящей из не взаимодействующих подсистем, равна сумме энтропий этих подсистем.

Дополнительные вопросы

1. Применение закона сохранения к абсолютно упругому и абсолютно не упругому ударам.

Абсолютно упругий удар шаров

А бсолютно упругим ударом называется такой удар, при котором тела разлетаются, не меняя своего строения и формы. Запишем закон сохранения импульса для абсолютно упругого удара m₁v₁+m₂v₂=m₁u₁+m₂u₂, где v₁ и v₂ - скорости тел до удара, u₁ и u₂ - скорости тел после удара. Закон сохранения энергии для абсолютно упругого удара шаров запишется в следующем виде .

В этом случае кинетическая энергия системы до удара равна кинетической энергии системы после удара.

Решая совместно два уравнения, получим скорости шаров после удара.
Абсолютно неупругий удар шаров

Абсолютно неупругим ударом называется такой удар, после которого тела меняют свою форму и движутся как единое целое с одинаковой скоростью или покоятся. Запишем закон сохранения импульса для абсолютно неупругого удара m₁v₁+m₂v₂=(m₁+m₂)u, где v₁ и v₂ - скорости тел до удара, u - общая скорость после удара.

З апишем закон сохранения энергии в общем форме для абсолютно неупругого удара шаров,

где W_деф - энергия деформации.

В этом случае сохраняется полная энергия системы, включая энергию деформации.

1. Не инерциальные системы отсчета. Силы инерции.

Инерциа́льная систе́ма отсчёта (ИСО) — система отсчёта, в которой справедлив закон инерции: любое тело, на которое не действуют внешние силы, находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения Х=Х₀+υ_хt, Y=Y₀+υ_yt, Z=Z₀+υ_zt, (Здесь vx,vy,vz — скорость центра масс тела)

Всякая система отсчёта, движущаяся относительно ИСО равномерно и прямолинейно, также является ИСО. Согласно принципу относительности, все ИСО равноправны, и все законы физики в них действуют одинаково. Предположение о существовании хотя бы одной ИСО в изотропном пространстве приводит к выводу о существовании бесконечного множества таких систем, движущихся друг относительно друга со всевозможными постоянными скоростями. Вышеизложенное определение ИСО ограничивает их координатные системы декартовыми координатами и равномерным временем. Если ИСО существуют, то пространство будет однородным и изотропным, а время — однородным.

Если скорости относительного движения ИСО, реализуемых действительными телами, могут принимать любые значения, связь между координатами и моментами времени любого «события» в разных ИСО осуществляется преобразованиями Галилея.

Если скорости относительного движения ИСО, реализуемых действительными телами, не могут превышать некоторой конечной скорости «с», связь между координатами и моментами времени любого «события» в разных ИСО осуществляется преобразованиями Лоренца.

1. Проявление сил инерции в природе. Эквивалентность сил инерции и тяготения.