§ 80. Необратимость процессов в природе

Определения и обозначения

Обратимый процесс — идеализированный процесс, который можно обратить так, чтобы система и окружающая среда вернулись в исходные состояния. Это означает, что после прямого и обратного хода не остаётся никаких изменений ни в телах, ни вокруг них. Такое понятие нужно как модель предельного, наиболее упорядоченного процесса.

Необратимый процесс — процесс, который невозможно полностью обратить без изменений в окружающей среде. Если мы возвращаем саму систему к прежнему состоянию, где-то ещё может измениться температура, движение тел или запас энергии. Понятие помогает отличать простое восстановление одного тела от полного обращения процесса.

Второе начало термодинамики — утверждение о невозможности самопроизвольной передачи теплоты от холодного тела к горячему и о направленности природных процессов. Оно не запрещает такой перенос при затрате внешней работы, например в холодильнике. Второе начало нужно, чтобы понимать, какие изменения могут происходить сами, а для каких требуется вмешательство.

Тепловое равновесие — состояние, при котором тела имеют одинаковую температуру и между ними не происходит направленного теплообмена. Тела могут обмениваться энергией на уровне частиц, но результирующий поток теплоты равен нулю. Это понятие позволяет определить состояние, к которому самопроизвольно приходит система при теплообмене.

Как это устроено

Если соприкоснуть горячее и холодное тела, частицы горячего тела в среднем передают частицам холодного больше энергии, чем получают обратно. Поэтому результирующая теплота идёт от горячего тела к холодному, пока температуры не сравняются. Самопроизвольное обратное течение потребовало бы, чтобы множество случайных столкновений одновременно передавало энергию преимущественно в одном направлении — от холодного тела к горячему, чего обычное движение частиц не обеспечивает.

Диффузия — взаимное проникновение частиц разных веществ — показывает, как система сама приходит к более равномерному распределению. Если открыть флакон, молекулы запаха движутся беспорядочно и постепенно распространяются по комнате; газ так же заполняет весь доступный объём. Обратное разделение частиц возможно, например с помощью специального устройства, но не происходит само собой: нужно затратить энергию и изменить окружающую среду.

При трении поверхности тормозят друг друга, а их упорядоченное движение ослабевает. Энергия движения переходит во внутреннюю энергию тел: они нагреваются, а на микроскопическом уровне усиливается хаотическое движение частиц. Обратное превращение не запрещено законом сохранения энергии, но само собой нагретые тела не начинают согласованно двигаться в прежнем направлении; для этого понадобилось бы дополнительное воздействие.

Обратимость — идеализация, потому что в ней процесс можно обратить бесконечно малым воздействием и не оставить изменений в среде. В реальности теплообмен идёт при разности температур, движущиеся тела испытывают трение, а вещества смешиваются. Эти явления рассеивают энергию: она не исчезает, но её становится труднее использовать для получения упорядоченного движения. Поэтому реальные процессы обычно необратимы.

Второе начало задаёт направление превращений энергии и ограничивает работу тепловых машин. Двигатель получает теплоту от нагревателя, часть её превращает в работу, а остаток передаёт холодильнику; иначе циклическая работа машины была бы невозможна. Даже идеальная модель не позволяет циклически получить работу, забирая теплоту только у одного тела, а в реальной машине дополнительно действуют трение и теплообмен при конечной разности температур. Поэтому КПД реального двигателя меньше 100%.

Сравнение обратимых и необратимых процессов

Сначала проверьте, возвращаются ли в исходное состояние не только изучаемое тело, но и окружающая среда. Затем отметьте, есть ли трение, диффузия или теплообмен между телами с разной температурой: они указывают на необратимость. Примеры обратимых процессов в таблице следует понимать как идеальные модели, а не как описание обычных реальных процессов.

Разбор задач

Задача 1. Определить, какие процессы необратимы: падение тела с ударом о землю, распространение запаха в комнате, движение тела без трения. Проверим каждый случай по критерию полного обращения: нужно восстановить и систему, и среду, не оставив изменений. Самой формулировки «тело может двигаться обратно» для этого недостаточно.

1. При ударе о землю тело деформируется или нагревается, а часть энергии переходит во внутреннюю энергию и звук. Самостоятельно собраться обратно и подняться на прежнюю высоту оно не может.
2. При распространении запаха молекулы смешиваются с воздухом. Самопроизвольно собраться обратно во флакон они не могут.
3. Движение тела без трения в идеальной модели можно обратить, приложив воздействие, не рассеивая механическую энергию. В рамках этой модели процесс обратим.

Ответ: падение с ударом и распространение запаха необратимы; движение без трения в идеальной модели обратимо. В реальной ситуации на тело обычно действуют сопротивление воздуха и другие силы, поэтому движение тоже может сопровождаться необратимыми потерями. При решении важно учитывать именно условия задачи.

Задача 2. После смешивания горячей и холодной воды вода принимает общую температуру, но сама собой снова не разделяется на горячую и холодную. Объяснить, почему это происходит. Нужно проследить направление теплообмена и применить второе начало термодинамики, не забывая о молекулярном движении.

1. Вначале температуры воды различаются, поэтому тепловая энергия самопроизвольно передаётся от более горячей воды к более холодной.
2. Обмен продолжается, пока температуры не сравняются; устанавливается тепловое равновесие.
3. Для обратного разделения требуется передать теплоту от холодной части смеси к горячей. Самопроизвольно это не происходит, а при искусственном разделении понадобятся внешняя работа и изменения в окружающей среде.

Ответ: смесь приходит к общей температуре, потому что теплота самопроизвольно переходит от горячей воды к холодной. Самостоятельно вернуться к исходному разделению воды не позволяет второе начало термодинамики.

Задача 3. Сравнить идеальный обратимый тепловой двигатель с реальным и объяснить, почему КПД реального двигателя меньше 100%. КПД показывает, какая доля полученной теплоты превращается в полезную работу. Чтобы сравнение было верным, рассмотрим двигатель, который работает циклически, возвращая рабочее тело к начальному состоянию.

1. Идеальная модель исключает трение и необратимую передачу теплоты при конечной разности температур. Она показывает предельную возможность, но не превращает двигатель в устройство, которое может работать только от одного источника теплоты.
2. Для циклической работы часть полученной теплоты должна перейти от рабочего тела к холодильнику. Поэтому в работу превращается не вся теплота нагревателя.
3. В реальной машине добавляются потери на трение и другие необратимые явления, а теплообмен происходит при конечной разности температур. Следовательно, полезная работа составляет ещё меньшую долю полученной теплоты.

Ответ: КПД реального теплового двигателя меньше 100%, потому что часть теплоты необходимо передать холодильнику, а необратимые процессы создают дополнительные потери. Энергия при этом сохраняется, но не вся она становится полезной работой.

Типичные ошибки

Считать обратимым любой процесс, который можно примерно повторить в обратном направлении, — ошибка: обратимость требует вернуть и систему, и окружающую среду. Её допускают, если следят только за состоянием одного тела. Проверьте, не остались ли после обращения нагрев, движение или другие изменения вокруг.

Утверждать, что теплота вообще не может перейти от холодного тела к горячему, неверно: такой перенос возможен при затрате внешней работы. Ошибка возникает из-за пропуска слова «самопроизвольно» в формулировке второго начала. Для проверки вспомните холодильник: он переносит теплоту против естественного направления, потребляя электрическую энергию.

Путать сохранение энергии с обратимостью нельзя: при трении энергия не исчезает, а переходит во внутреннюю. Обычно смешивают два разных вопроса — сохраняется ли общее количество энергии и можно ли самопроизвольно вернуть её прежнее распределение. Проверьте себя: закон сохранения описывает баланс энергии, а необратимость — направление процесса.

Отсутствие видимого движения не доказывает обратимость. Неподвижная смесь может быть результатом диффузии, а тела с одинаковой температурой — итогом необратимого теплообмена. Ошибку допускают, принимая конечное спокойное состояние за доказательство того, что исходный процесс можно обратить. Установите, как система пришла в это состояние и можно ли восстановить начальное распределение без изменений среды.

Связь с другими темами

Для понимания необратимости нужны знания о внутренней энергии, количестве теплоты, работе газа, первом начале термодинамики и принципе действия теплового двигателя. Первое начало помогает проследить баланс энергии, а второе — определить направление её самопроизвольного превращения. Эта тема готовит к изучению энтропии и ограничений КПД тепловых машин, а также помогает объяснять теплообмен, диффузию, трение и работу холодильных установок. Эти представления применяют при анализе реальных энергетических машин.

Что запомнить

• Большинство реальных процессов в природе необратимы.
• Теплота самопроизвольно переходит от горячего тела к холодному.
• Диффузия и смешивание веществ протекают самопроизвольно в одном направлении.
• Трение сопровождается превращением механической энергии во внутреннюю.
• Обратимый процесс является идеализацией, а не обычным природным процессом.
• Второе начало термодинамики определяет направление самопроизвольных процессов.
• КПД реального теплового двигателя всегда меньше 100%.