1598005370-70491a7283ca3540dddce2de932120e0 (811201), страница 13
Текст из файла (страница 13)
5' представлено в качестве примера распределение скоростей молекул в кислороде. На оси абсцисс отложены средние скорости движения молекул. Кривая показывает, какое количество (в '/о) молекул движется с той или иной скоростью, видно, что для данной температуры имеется наиболее вероятная скорость (она соответствует максимуму на кривой): ггри 0'С 2,2'/я всех молекул имеют скорость приблизительно 380 м!с. Чем больше скорость молекул отличается от наиболее вероятной, тем меньшее число молекул движется с такой скоростью; так число молекул, имеющих скорость 1000 м(с, весьма мало. При другой температуре кривая распределения скоростей приобретает иной вид.
Например, при 300 С для.кислорода наиболее вероятная скорость, с которой движется наибольший процент всех молекул, равна 500 м/с. Однако только 1,6/а всех молекул имеют скорость, близкую к этой. Итак, с ростом температуры максимум на кривой распределения сдвигается в сторону более высоких скоростей, уменьшаясь при этом по величине. Растет число частиц с большими скоростями.
Этот факт очень важен для объяснения увеличения скорости химических реакций с ростом температуры, й 2. ПРЕВРАЩЕНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ЭНЕРГИИ В ТЕПЛО Зная свойства термической энергии или тепла, можно понять, почегу любое превращение энергии всегда сопровождается выделением тела, точнее увеличением термической энергии. Ведь термическая энергия гбусловлена хаотическим движением атомов и молекул, в то же время как остальные виды энергии связаны с более нли менее упорядоченным их движением.
Однако упорядоченное движение легко может стать хаотическим, тогда как упорядочение хаотичексого движения наталкивается на значительные трудности. Упорядоченное и хаотическое движение Рассмотрим свойства упорядоченного движения в его связи с механической энергией. Например, камень, падающий на Землю, обладает термической энергией, его атомы и молекулы движутся хаотически, но вследствие падения имеется некоторое преимущественное направление их скоростей в сторону Земли. Иначе говоря, при падении камня к средней одинаковой во всех направлениях скорости теплового движения его мо-, 56 лекул прибавляется еще одна компонент», направленная вниз. Правда, при этом хаотичность движения сохраняется, термическая энергия остается неизменной, но благодаря этой направленной вниз компоненте скорости растет кинетическая энергия частиц.
Такой. рост энергии не приводит, однако, к увеличению термической энергии, так как причиной его служит упорядоченное движение. Этим объясняется, почему энергию падающего вниз тела можно использовать для получения работы (например падающую вниз воду для вращения мельничного колеса). Работа требует именно упорядоченного движения„так как только благодаря ему мы можем изменять состояние макроскопического тела в макроскопических масштабах, Что же происходит с кинетической энергией падающего тела? Если оно падает в вакууме, вследствие силы тяжести его скорость все время растет, что, однако, не оказывает влияния на хаотическое движение - температура тела не изменяется. Но если оно падает в воздухе, то во время движения сталкивается с хаотически движущимися молекулами воздуха (возникает трение).
В результате этих столкновений растет энергия хаотического движения как молекул падающего тела, так и газа, т.е. растет их термическая энергия, повышается температура. Термическая энергия в виде тепла переходит в воздух. Переход тепла идет в направлении выравнивания термической энергии.
Столкновение частиц тела, находящегося в макроскопическом движении, с молекуламн окружающей среды приводит к тому, что компоненты скорости, направленные в сторону движения, уменьшаются: макроскопическое движение тормозится. Скорость тела, свободно падающего,в воздухе, меньше (в н<идкости еще меньше), чем она была бы при падении н вакууме с той же высоты. Таким образом, часть кинетической энергии упорядоченного движе ния, которой обладает падающее тело, преобразуется из-за трения в термическую энергию н рассеивается.
Наступает момент, когда этот процесс кончается: камень ударяется о землю, кинетическая энергия поступательного движения переходит в другие формы. Большая часть кинетической энергии падающего тела превращается в термическую энергию, а меньшая - в звуковую (в энергию колебания воздуха и Земли) - мы слышим звук удара. Выделение термической энергии говорит о том, что средняя скорость хаотического движения частиц возросла за счет упорядоченной компоненты. В месте удара повышается температура по сравнению с кружаюшей средой, и термическая энергия в форме тепла переходит нз нагретых слоев в более холодные. Таким образом, и здесь большая часть энергии упорядоченного движения рассеивается в виде термической энергии.
Рассеяние энергии В химических процессах энергия упорядоченного движения также рассеивается в виде энергии хаотического движения. Например, при сжигании метана, сопровождающимся уменьшением химической энергии исходных веществ, образуется углекислый газ и вода. Химическая энергия зависит от суммы энергий связи между атомами продуктов химической реакции. Химически связанные между собой атомы не находятся в состоянии покоя, а колеблются.
Эти колебательные движения отчасти хаотичны (направление и энергия колебаний постоянно изменяются), и в этом смысле их можно отнести к тепловому движению; но отчасти они упорядочены, так как в двухатомных молекулах атомы всегда могут колебаться приблизительно вдоль направлений связей. Хотя в многоатомных молекулах колебательные движения гораздо сложнее, но до известной степени и упорядочены. При обычном сгорании часть освободившейся в процессе химического превращения (окисления) химической энергии переходит в термическую энергию практически независимых друг от друга молекул и в таком виде рассеивается. При соответствующих условиях (например в живых организмах или в гальванических элементах) освободившаяся химическая энергия способствует образованию энергетически более богатых соединений, а также может быть использована для получения работы.
Однако н в этом случае часть химической энергиирассеивается. Энергия электрического тока есть, в сущности, энергия движущихся в проводниках электрически заряженных частиц (электронов - в металлах, ионов - в электролитах). Сами заряженные частицы движутся хаотически н, следовательно, обладают термической энергией. Но при протекании электрического тока возникает также упорядоченное движение частиц в направлении протекания тока, прн этом с макроскопической точки зрения их энергия увеличивается. Электрически заряженные частицы при своем движении в проводящих средах (металлах, жидкостях) сталкиваются с другими частицами среды, энергия хаотического даижения этих частиц растет.
В результате часть электрической энергии также рассеивается, превращается в тепло. Подобные наблюдения позволяют сделать следующее заключение: в существующих на Земле условиях во всех естественных макроскопическнх явлениях по меньшей мере часть энергии упорядоченного движения рассеивается в виде энергии теплового (хаотнческого) движения. Этот важнейший закон природы известен как второе начало термодинамики (первое начало термодинамики - это закон сохранения энергии). Причина данного явления заключается в том, что при движении материальных тел относительно друг друга их частицы взаимодействуют между собой таким образом, что энергия их хаотического движения увеличивается.
Второе начало термодинамики позволяет определить направление процессов, которые в природе протекают самопроизвольно. Как мы видим, выделение тепла связано с увеличением термической энергии, т.е. энергии хаотичесдого движения. Выделение тепла это всеобщее явление, поскольку упорядоченное движение легко становится хаотическим. Обратить этот процесс, т.е, перевести тепло в другой вид энергии, гораздо труднее, так как хаотическое движение само по себе не становится упорядоченным, а рассеянная термическая энергия не концентрируется сама по себе, чтобы вновь стать энергией упорядоченного движения. И все же тепло можно превратить в работу (примером тому служит всякий тепловой двигатель), но для этого требуются совершенно особые условия. й 3.
ПРЕВРАЩЕНИЕ ТЕПЛА В РАБОТУ Неве)зможность создания вечного двигателя В течение тысячелетий естествоиспытатели и изобретатели безуспешно пытались сконструировать машину, которая могла бы неограниченно совершать работу без потребления энергии от,виешнего источни-. ка, - перпетуум мобиле (вечный двигатель). Чтобы остановить поток многочисленных предложений и проектов, Французская Академия наук еще в конце ХЧП1 века приняла решение рассматривать изобретения перпетуум мобиле только тогда, когда вместе с проектом будет представлена действующая модель.
Этой модели, естественно, никому не удалось созлать. Однако еще и сегодня существуют фантазеры, придумывающие все новые и новые неосуществимые конструкции. Обычно изобретатели относят свои неудачи за счет каких-то мелких ошибок или,недостатков, но эти "мелочи" оказываются принципиально неустранимыми, .Неудачи привели ученых к выводу, что перпетуум мобиле противоречит некоторому всеобщему закону природы. Этот закон есть закон сохранения и превращения энергии (первое начало термодинамики), Он утверждает„ что энергия не может ни возникать из ничего, ни уничтожаться: отдельные виды энергии могут лишь переходить друг в друга.
Таким образом, перпетуум мобиле (первого рода) противоречит закону сохранения и превращения энергии, поэтому его создание невозможно. Согласно первому началу. термодинамики, различные виды энергии могут переходить друг в друга в определенных количественных соотношениях, Так,например, если превращение будет полным, т.е. без возникновения других видов энергии, из ! кгм механической работы возникает 2,34 кал тепла. Однако закон сохранения энергии ничего не говорит о том, любой ли вид энергии может превращаться в другой и в каком на- правлении идут процессы превращения энергии.
С точки зрения этого закона все виды энергии и направления их превращений равнозначны. Поэтому закон сохранении энергии (хотя он абсолютно верен)- лишь часть истины. Опыт показывает, что различные материальные превращения протекают по вполне определенным направлениям, которые в каждых конкретных условиях определяются однозначно. Так, например, при отсутствии ветра камень падает на Землю вертикально (сильный ветер может изменить зто направление); сахар в воздухе сгорает„превращаясь в СОэ и НгО, а не в крахмал, хотя в других условиях (в живых организмах) такой процесс возможен. Закон сохранения энергии ничего не говорит об особенностях тепла, поэтому полное превращение термической энергии в тепло ему не противоречит.
Именно это натолкнуло многих изобретателей на мысль сконструировать машину, способную производить работу на основе возможно более полного превращения термической'энергии. Например, на корабле такая машина могла бы работать следующим образом: она отбирала бы от воды термическую энергию в виде 'таила, несколько охлаждая при этом воду. При помощи судового двигателя эта энергия, превращалась бы в механическую работу, при этом тепло, выделяемое в результате трения различных частей двигателя', снова бы передавалось воде„слегка ее нагревая. Круговой процесс повторялся бы на протяжении всего движения судна, обеспечивая это движение.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
