Радушкевич Л.В. Курс термодинамики (1185140), страница 21

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 21)

Действительно, переход тепла от нагретого тела к холодному приводит к выравниванию температур. В результате течения таких процессов в системе температуры отдельных тел сближаются, что снижает возможность получения полезной работы в машинах. Такой процесс не противоречит закону сохранения энергии, потому что общий запас энергии системы остается без изменения. Однако «качество энергии», в техни- !02 Гл а а а 4 Различные общие фар,ну»иринки тт начала и ега принижения ческом смысле, снижается. При достаточной близости температур тел системы количество полезной работы, которую можно получить в машине, становится весьма малым. Происходит, следовательно, потеря полезной работы, что соответствует снижению «работоспособности» системы.

Одновременно с этим большинство необратимых процессов ведет к рассеянию энергии. При теплопроводности одно тело передает другому некоторое количество теплоты, второе отдает теплоту третьему более холодному и т. д. В результате энергия постепенно все равномернее распределяется между телами системы и рассеивается. Потенциальная энергия газа пропорциональна его давлению. Сильно сжатый газ, расширяясь, совершает большую работу.

После расширения давление его падает и возможность совершения работы снижается. Следовательно, расширение газа тоже ведет к потере работоспособности. Это становится особенно заметным при неуравновешенном расширении, которое является необратимым. Соответственно указанным процессам В. Томсон формулирует второе начало как принцип рассеяния энергии: энергия изолированной системы постепенно обесценивается и рассеивается. Следует отметить, что в элементарном изложении физики, когда рассматриваются примеры превращения энергии, неизбежно сталкиваются с явлениями ее рассеяния, но о принципиальном значении этих явлений обычно не говорят. Рассеяние энергии тогда предстает нашему сознанию как досадная частная неудача, а между тем это оказывается принципиально важным, так как необратимость процессов ведет к рассеянию энергии.

Качание маятника обычно рассматривается как хороший пример периодического превращения кинетической энергии в потенциальную и обратно. Однако, демонстрируя учащимся это явление, мы неизбежно вызываем у них представление об исчезновении энергии, так как колебания его со временем затухают. Неизбежно при пояснениях приходится говорить о рассеянии энергии.

В более сложных примерах превращения энергии стараются не доходить до конца. Например, описание превращений энергии при работе гидростанции доводят до момента подачи энергии потребителю. Но, говоря о всех преобразованиях энергии падающей воды, начиная с механической энергии вращения ротора турбины и динамо-машины и далее при передаче электроэнергии по проводам, приходится перечислять различные «потери», и тут опять неизбежно мы сталкиваемся с рассеянием энергии. Наконец, при использовании энергии потребителем вновь приходится рассматривать рассеяние и обесценение энергии.

Все это проявления самостоятельного закона природы, независимого от первого начала термодинамики и Э 2. Следствия из теоремы о росте энтропии !Оз определяемого принципом роста энтропии при необратимых процессах. Так как возрастание энтропии изолированной системы связано с рассеянием и обесцениванием энергии, то иногда энтропию рассматривают (не вполне строго) как меру обесценивания энергии. 4. Общее изменение системы пр и необр атим ы х п р о це се а х. Возрастание энтропии системы при необратимых процессах сопровождается не только рассеянием энергии, но приводит также к другим изменениям свойств системы. Необратимые процессы неуравновешенного расширения газов ведут к более или менее равномерному распределению давления в системе и к ее расширению.

К этому же приводят разнообразные диффузионные процессы, вызванные различием концентрации отдельных частей системы. В результате процессов диффузии наступает выравнивание концентраций в отдельных частях системы. Постепенное измельчание отдельных частиц при необратимых разрывах, раскалывании, различных видах дробления вплоть до измельчения горных пород с образованием песка, пыли (при эрозии почвы) и т. п. также приводит к рассеянию вещества, так как продукты дробления легко диффундируют, перемешиваются и равномерно взаимно распределяются в системе. Таким образом, в результате всех необратимых процессов система перерождается, или, как говорят, деградирует. Окончательным итогом всех изменений является состояние системы, при котором: !) весь запас полезной работы превращен в тепло; 2) температуры всех тел системы уравнялись; 3) произошло выравнивание концентраций и давлений в системе; 4) тела предельно измельчены и равномерно перемешаны.

В этих условиях всякий повод к дальнейшему изменению системы оказывается устраненным и в ней возможны одни лишь обратимые изменения. Энтропия достигает максимального значения. Такое состояние системы иногда называют тепловой смертью. Пока мы рассматриваем макросистемы конечных размеров, достижение маКсимума энтропии и возможность тепловой смерти для этих систем не может вызывать сомнений, так как для них второе начало является законом, теоретически доказанным и поэтому практически и принципиально важным. Однако было бы ошибкой распространять этот вывод на всю вселенную, как это сделал Клаузиус, и считать, что она стремится к тепловой смерти.

Мы все время говорили о ко н е ч но й изолированной системе и только для нее имеет смысл вводить понятия обратимости и необратимости процессов и вычислять 104 Глава 4. Различные общие формулировки !! начала и его приложения значение ее энтропии, которая является суммой энтропий соСтавных частей.

Для вселенной, которую нельзя рассматривать как конечную изолированную систему, суждение о величине энтропии теряет смысл и потому второе начало сформулировано быть не может. Е 3. НЕОБРАТИМЫЕ ПРОЦЕССЫ И НАПРАВЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ В МАКРОСКОПИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ Описанный выше характер изменения макросистемы согласно второму началу термодинамики ставит общую проблему направления времени в окружающем макроскопическом мире. Здесь мы не касаемся метрики времени, так как теория метрических свойств времени подробно рассматривается в общей теории относительности Эйнштейна, а остановимся на вопросе о направлении времени в связи с феноменологическим выражением второго начала.

Повседневные наблюдения ясно показывают нам, что процессы окружающей природы являются необратимыми, тогда как обратимость является той или иной идеализацией реальных процессов. В лекциях Р. Фейнмана * приводятся примеры необратимости в повседневной жизни. «Роняешь чашку, она разбивается, и сколько не жди, черепки не соберутся снова и чашка не прыгнет обратно тебе в руки». Известно, что «из елки можно сделать палку, а из палки не сделаешь елки, в связи с чем наш мир постоянно меняет свой характер с елочного на палочный». Этот ход явлений представляется нам естественным течением событий, с чем связано различение прошлого, настоящего и будущего. «Естественное» направление хода событий особенно остро воспринимается нами при просмотре какой-нибудь заснятой кинопленки в «обратном направлении». Пусть сначала на кинопленке заснято движение планеты вокруг Солнца и мы демонстрируем такую пленку в прямом, а потом в обратном направлениях.

Мы увидим, что при обратном показе планета вращается вокруг Солнца, правда в обратном направлении, но ее траектория в обоих случаях представляет собой эллипс и законы Кеплера строго соблюдаются. Это объясняется в сущности тем, что для закона всемирного тяготения имеет значение порядок чередования соб ы ти й, а направление времени безразлично, как для всех обратимых процессов. Совершенно иначе выглядит обратный запуск кинопленки, где были засняты какие-либо необратимые процессы. Это ' Р. Фей ни цн. Характер физических законов.

М,, «Мир», !988. Лекция б, стр. 114. !05 ф 3. Необратимые процессы и направление времени можно хорошо видеть, если на цветной кинопленке заснять, например, опыт в приборе Джоуля †Томсо, состоящем из двух одинаковых сообщающихся сосудов, соединенных краном (см. стр. 44). Пусть в одном сосуде находится какой-нибудь окрашенный газ, например пары брома бурого цвета, а из другого газ выкачан. Снимем опыт на цветную кинопленку, начиная с состояния, когда кран еще закрыт, ход самого опыта при открывании .крана и конечное состояние при открытом неподвижном кране.

Увидим, что пар потечет из первого сосуда во второй, в результате чего в обоих сосудах будут находиться равномерно окрашенные пары брома. Пустим теперь пленку в обратном направлении: мы увидим, что пары будут уходить в первый сосуд, в котором окраска начнет густеть, тогда как окраска во втором сосуде будет бледнеть, пока весь пар не соберется в первом сосуде, а второй станет бесцветным, после чего кран будет закрыт. Этот ход событий представляется нереальным. Иногда производят последовательно ускоренную съемку распускания цветка.

Характеристики

Список файлов книги