§ 15. Необратимость тепловых процессов. Второй закон термодинамики

Определения и обозначения

Необратимый тепловой процесс — процесс, который самопроизвольно не может протекать в обратном направлении без изменений в окружающих телах. Например, горячий чай остывает, а растаявший лёд не замерзает снова сам по себе в тёплой комнате. Это понятие нужно, чтобы отличать возможное при особом воздействии от естественного направления процесса.

Теплопередача — самопроизвольная передача энергии от более нагретого тела к менее нагретому. При соприкосновении горячей ложки с водой энергия переходит от ложки к воде, а не наоборот. Направление теплопередачи определяется разностью температур и помогает понять, как тела приходят к тепловому равновесию.

Второй закон термодинамики — закон, устанавливающий направленность тепловых процессов. Для теплопередачи он означает: теплота сама собой не переходит от холодного тела к горячему. Закон нужен для объяснения необратимости и ограничений тепловых машин.

Как это устроено

Если нагретое тело соприкасается с холодным, частицы первого в среднем движутся энергичнее и передают энергию частицам второго. Поэтому горячее тело остывает, а холодное нагревается. Обратное перераспределение не происходит само собой, потому что случайные движения частиц не создают устойчивого общего перехода энергии к более горячему телу. Для этого потребовалось бы согласованное внешнее воздействие.

Теплота переходит от тела с более высокой температурой к телу с более низкой, пока температуры не станут одинаковыми. При одинаковой температуре направленный теплообмен прекращается: тела находятся в тепловом равновесии. Энергия при этом не исчезает, а перераспределяется между телами. Чем больше разность температур, тем заметнее начальный теплообмен.

Чтобы обратить процесс, недостаточно просто подождать. Например, остывший предмет нельзя самопроизвольно заставить забрать энергию у окружающего воздуха и стать горячее него. Холодильник выполняет такую задачу с помощью работы электродвигателя: он забирает теплоту из холодной камеры и отдаёт её в комнату. Значит, обратный ход возможен, но сопровождается затратой энергии и изменениями во внешней среде.

Второй закон термодинамики запрещает самопроизвольный переход теплоты от холодного тела к горячему. Именно поэтому остывание и выравнивание температур относятся к необратимым процессам. Обратное направление не запрещено абсолютно, однако оно не возникает само по себе. Для него нужен холодильник, насос или другая система, совершающая работу.

Тепловая машина получает энергию в виде теплоты от нагревателя и часть этой энергии превращает в механическую работу. Остальная теплота должна перейти к холодильнику, иначе нарушится второй закон термодинамики. Поэтому невозможно построить машину, которая за один цикл полностью превращает полученную теплоту в работу. Закон сохранения энергии отвечает на вопрос, сколько энергии сохраняется, а второй закон — в каком направлении могут идти превращения.

Направление и обратимость тепловых процессов

В таблице сначала определите, какое направление возникает без внешнего вмешательства. Затем проверьте, можно ли получить обратный ход и какая энергия или установка для этого нужна. Это помогает не путать возможность процесса с его самопроизвольностью.

Разбор задач

Задача 1. Горячую ложку опустили в холодную воду. Нужно определить направление передачи теплоты и объяснить, почему вода не нагревает ложку выше своей температуры.

1. Сравним температуры: температура ложки выше температуры воды.
2. По второму закону теплота переходит от ложки к воде.
3. Обмен продолжается, пока температуры ложки и воды не сравняются. После равновесия вода не может самопроизвольно передать ложке энергию так, чтобы её температура стала выше температуры воды.

Ответ: теплота переходит от горячей ложки к холодной воде; вода не нагревает ложку выше собственной температуры без внешнего воздействия.

Задача 2. Смешали равные порции воды температурой 20 °C и 80 °C. Теплообменом с комнатой пренебречь. Найдём температуру смеси и определим обратимость процесса.

1. Холодная вода получает столько теплоты, сколько горячая отдаёт: c·m·(t − 20) = c·m·(80 − t).
2. Массы и удельные теплоёмкости одинаковы, поэтому сокращаем c·m: t − 20 = 80 − t.
3. Получаем 2t = 100, значит, t = 50 °C.
4. В реальности смешивание и выравнивание температур необратимы самопроизвольно, хотя уравнение баланса энергии можно записать в обратном порядке.

Ответ: установившаяся температура равна 50 °C; самопроизвольный процесс необратим.

Задача 3. Тепловая машина получила от нагревателя 1200 Дж и совершила работу 300 Дж. Определим теплоту, переданную холодильнику.

1. Для машины применяем закон сохранения энергии: Q₁ = A + Q₂.
2. Выразим теплоту холодильника: Q₂ = Q₁ − A.
3. Подставим значения: Q₂ = 1200 − 300 = 900 Дж.
4. Нулевое значение означало бы полное превращение теплоты в работу, что запрещено вторым законом термодинамики.

Ответ: холодильнику передано 900 Дж; эта теплота не может исчезнуть или вся превратиться в работу.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать, что теплота может сама переходить от холодного тела к горячему, если холодное тело получает энергию. Такое возможно только при внешнем воздействии, а естественное направление задаёт разность температур. Проверьте себя: спросите, какое тело горячее в начале процесса.

Ошибка 2. Называть теплоту запасом энергии тела. Теплота — это способ передачи энергии, а внутреннюю энергию тело уже приобретает или теряет. Для проверки замените фразу «тело содержит теплоту» на «тело получает энергию при теплопередаче».

Ошибка 3. Понимать необратимость как абсолютную невозможность изменить процесс. Обратный ход возможен, например у холодильника, но требует работы и изменений в окружающей среде. Проверьте, указаны ли в объяснении источник энергии и устройство.

Ошибка 4. Считать, что тепловая машина превращает всю теплоту в работу. Часть энергии обязательно отводится холодильнику. Если в решении получилось A = Q₁ и Q₂ = 0, нужно применить второй закон и исправить вывод.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны температура, внутренняя энергия и два способа её изменения: теплопередача и совершение работы. Закон сохранения энергии помогает составлять тепловой баланс, но не определяет сам по себе направление процесса. Второй закон дополняет его правилом о направленности теплопередачи.

Эти знания понадобятся при изучении тепловых машин, коэффициента полезного действия и холодильников. Тепловое равновесие показывает конечное состояние тел после теплообмена. Ограничение на превращение теплоты в работу объясняет, почему реальные машины имеют КПД меньше 100%.

Что запомнить

• Теплота самопроизвольно передаётся от более нагретого тела к менее нагретому.
• При теплообмене тела стремятся прийти к тепловому равновесию.
• Самопроизвольный обратный ход теплового процесса невозможен без изменений в окружающих телах.
• Второй закон термодинамики задаёт направленность тепловых процессов.
• Тепловая машина не может полностью превратить полученную теплоту в работу.
• Для работы холодильника необходимы внешние затраты энергии.