ЭБЗ Классическая физика (часть 1) - механика, термодинамика и молекулярная физика (1175272), страница 94
Текст из файла (страница 94)
Пусть, например, тело в этих условиях брошено снекоторой начальной скоростью в поле силы тяжести (I.6.2.1°) под определенным углом и горизонту. Оно, описав параболическую траекторию, упадет на Землю в некотором месте. Если теперь бросить тело из этого места под тем же углом, с той же начальной скоростью, но противоположно направленной, то тело опишет ту же траекторию вобратном направлении и упадет в первоначальном месте. Любые промежуточные состояния движущегося тела в прямом и обратном движениях будут совершенно тождественны. Обратимость механических движений означает их симметричность по отношению к замене будущего прошедшим, т. е. по отношению к изменению знака времени.
Обратимость механических движений вытекает из дифференциальных уравненийдвижения (I.2.4.4°). При замене знака времени меняет знак и скорость тела, но ускорение, которое входит в уравнения движения, сохраняет свой знак.Пример 2. Обратимым процессом являются незатухающие колебания, которые совершает в вакууме тело, подвешенное на абсолютно упругой пружине (IV.1.2.3°). Система «тело-пружина» является консервативной (I.3.1.7°). Ее механические колебания невызывают изменения энергии теплового хаотического движения частиц системы. Только изменения конфигурации и скорости движения системы приводят к изменению еесостояния. Но эти изменения полностью повторяются по истечению периода колебанийТ (IV.1.1.2°), и условия обратимости процесса (п.
1°) оказываются выполненными.2º. Любой процесс, не удовлетворяющий условиям обратимости (п. 1°), называетсянеобратимым (необратимый процесс).Пример 1. Необратимым процессом является прямой процесс торможения тела поддействием сил трения. Если эти силы являются единственными, действующими на тело, то скорость тела уменьшается, и оно останавливается.
Энергия механического движения тела как целого уменьшается и расходуется на увеличение энергии хаотическогодвижения частиц тела и окружающей среды. Внутренняя энергия (II.2.1.2°) тела и среды возрастает, происходит их нагревание за счет действия сил трения. Рассмотренный вп. 2° прямой процесс протекает самопроизвольно: он осуществляется без каких-либопроцессов, происходящих с окружающими телами.
Для того чтобы произошел обратный процесс и система возвратилась в исходное состояние, необходимо, чтобы остановившееся тело вновь пришло в движение за счет охлаждения его и окружающей среды.Как показывают опыты, тепловое хаотичное движение частиц тела не может самопроизвольно привести к возникновению упорядоченного движения всех частиц тела, какцелого. Для осуществления такого движения необходим дополнительный компенсирующий процесс охлаждения тела и среды до первоначальной температуры. При этомбудет отдано холодильнику количество теплоты Q, и над телом будет совершена работаА' = Q.Таким образом, последовательное проведение таких прямого и обратного процессов возвращает систему «тело-среда» в исходное состояние, однако состояние внешнихтел изменяется. Поэтому все процессы, сопровождающиеся трением, являются необратимыми.Пример 2.
Прямой процесс теплообмена (II.2.2.4°) между контактирующими телами с различной температурой происходит самопроизвольно. Обратный процесс – на-гревание одного тела за счет охлаждения другого, имевшего вначале такую же температуру, что и первое, самопроизвольно происходить не может. Для осуществления такого процесса используется холодильное устройство (II.4.1.11°). Процесс теплообменапри конечной разности температур является необратимым процессом.§ II.4.3. Второй закон (второе начало)термодинамики1°. Обращение к результатам опытов для доказательства необратимости процессовтеплообмена и движения с трением (II.4.2.2°-3°) не случайно.
Первое начало термодинамики (II.2.3.1°) не может исчерпывающим образом описывать тсрмодинамичсскиспроцессы. Существенной ограниченностью первого начала является невозможность сего помощью предсказать направление протекания термодинамического процесса. Любой процесс, при котором не нарушается закон сохранения энергии, возможен с точкизрения первого начала термодинамики. В частности, возможен процесс самопроизвольной передачи энергии в форме теплоты от менее нагретого тела к более нагретому телу.Возможен также процесс, единственным результатом которого было бы получение некоторого количества теплоты от тела и превращение ее в эквивалентную работу. Периодически действующее устройство, основанное на первом законе термодинамики,которое совершает работу за счет охлаждения одного источника теплоты (например,внутренней энергии больших водоемов), называется вечным двигателем второго рода.2°.
Вторым началом (законом) термодинамики называется полученное опытнымпутем утверждение о невозможности построения вечного двигателя второго рода(п. 1°). Второе начало имеет две наиболее распространные формулировки, которые эквивалентны друг другу:а) невозможен процесс, единственным результатом которого является превращениевсей теплоты, полученной от некоторого тела, в эквивалентную ей работу;б) невозможен процесс, единственным результатом которого является передачаэнергии в форме теплоты от тела менее нагретого к телу более нагретому.3°.
Из второго закона термодинамики следует неравноценность работы и теплотыкак двух форм передачи энергии. Переход упорядоченного движения тела как целого вхаотическое движение его частиц является необратимым процессом, происходящим безкомпенсирующих процессов (II.4.2.3°). Переход неупорядоченного движения частицтела в упорядоченное движение тела как целого требует, чтобы одновременно происходил какой-либо компенсирующий процесс.Пример 1. При изотермическом расширении идеального газа совершается работа,полностью эквивалентная тому количеству теплоты, которое сообщено газу (II.2.5.9°).Теплота, полученная газом, целиком превращается в эквивалентную работу.
Но газ приэтом не возвращается в исходное состояние. Он расширяется, и его удельный объемвозрастает. Превращение теплоты в работу не является единственным результатом изотермического расширения идеального газа.Пример 2. В тепловой машине, работающей по прямому циклу Карно (II.4.1.8°),работа совершается за счет теплоты, подводимой от нагревателя.
Однако часть полученного количества теплоты передается холодильнику (II.4.2.7°), поэтому работа, которая совершается за цикл, не эквивалентна всему количеству теплоты, подведенной крабочему телу.Пример 3. В холодильных устройствах, работающих по обратному циклу Карно(II.4.1.11°), от холодного тела к более нагретому передается некоторое количество теплоты. Но при этом внешние силы совершают работу, и, следовательно, происходиткомпенсирующий процесс.4°.
Теорема Карно: термический коэффициент полезного действия (II.4.1.9°) обратимого цикла Карно не зависит от состава рабочего тела и всегда выражается формулой(II.4.1.10°):ηК =Q1 + Q2 T1 − T2.=Q1T1Термический КПД необратимого цикла Карно ηК необр всегда меньше термическогоКПД ηк обратимого цикла Карно, осуществляемого между теми же температурами Т1 иТ2:η К необр < η К обр .Термический коэффициент полезного действия любого обратимого цикла не превышает термического коэффициента полезного действия ηК обратимого цикла Карно,осуществляемого с помощью нагревателя и холодильника с температурами Т1 и Т2,η обр ≤ η К =T1 − T2.T15°. С помощью теоремы Карно (п.
4°) устанавливается термодинамическая шкалаT2Q= − 2 или, так как Q2 < 0, тоT1Q1температуры. Из формулы п. 4° следует, чтоT2 Q2.=T1 Q1Для того чтобы сравнивать температуры Т1 и Т2 двух тел, необходимо осуществить обратимый цикл Карно, в котором эти тела были бы нагревателем и холодильником. Тогда по отношению численных значений отданных (полученных) ими количествтеплоты определяется отношение температур тела. Результат сравнения температур независит от химического состава рабочего тела в цикле (п.
4°). Поэтому термодинамическая шкала температуры не зависит от свойств термометрического тела (II.1.3.4°) и вэтом смысле обладает большой общностью. Так как все реальные термодинамическиепроцессы необратимы, сравнение температур тел с помощью указанной выше процедуры практически неосуществимо и имеет лишь принципиальное теоретическое значение.§ II.4.4.
Энтропия и свободная энергия1°. Отношение количества теплоты Q, полученной телом в изотермическом процессе, к температуре Т теплоотдающего тела называется приведенным количеством теплоты Q*, т, е. Q * =QПри нагревании тела (Q > 0) Q* положительно, при охлаждеTнии (Q < 0) Q* отрицательно.Приведенное количество теплоты, сообщенное телу на бесконечно малом участкепроизвольного процесса, равноδQT, где Т – температура соответствующего теплоот-дающего тела. Приведенное количество теплоты Q*1-2 для произвольного участка 1-2процесса C1С2:*1− 2Q=C2∫δQC1T.2°. Приведенное количество теплоты Q*обр, которое сообщается телу в любом обратимом круговом процессе, равно нулю:*=∫QобрδQT= 0.Здесь Т – температура, при которой телу сообщается элементарное количество теплотыδQ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
