"Физика. Молекулярная физика. Термодинамика (углублённый уровень)", Мякишев Г.Я., Синяков А.З.
Необратимые процессы самопроизвольно идут в определённом направлении: тепло передаётся от горячего тела к холодному, газы смешиваются, а трение превращает механическую энергию во внутреннюю. Обратный ход возможен только при внешнем воздействии и обычно не возвращает систему вместе с окружающими телами в исходное состояние. Понимание необратимости помогает объяснить реальные тепловые процессы и ограничения работы тепловых машин.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Необратимый процесс — процесс, который самопроизвольно идёт только в одном направлении и не возвращает систему и окружающие тела в исходное состояние. Например, остывшее тело не нагревается само собой за счёт окружающего воздуха. Это понятие описывает направленность реальных процессов.
Обратимый процесс — идеализированный процесс, который можно провести в обратном направлении так, чтобы система и окружающие тела вернулись в исходное состояние. В природе полностью обратимые процессы практически не встречаются, но такая модель помогает сравнивать реальные процессы с предельным случаем. Она нужна для понимания условий работы тепловых машин.
Самопроизвольный процесс происходит без внешнего воздействия, поддерживающего его ход. Так, после удаления перегородки газ сам заполняет весь сосуд. Термин показывает, что для начала и продолжения процесса не требуется специально направленная работа извне.
Направленность процесса — наличие предпочтительного направления, в котором процесс происходит самопроизвольно. Тепло идёт от горячего тела к холодному, а не наоборот. Направленность позволяет отличить реально наблюдаемое течение процесса от формально допустимого законами сохранения.
Если соприкоснуть тела с разной температурой, молекулы горячего тела в среднем передают больше энергии молекулам холодного тела, чем получают от них. Поэтому внутренняя энергия перераспределяется от более нагретого тела к менее нагретому. Обратный поток отдельных молекул возможен, но общий самопроизвольный перенос теплоты идёт до установления теплового равновесия, когда температуры становятся одинаковыми.
В смеси молекулы газов непрерывно и хаотически движутся, сталкиваются и занимают весь доступный объём. После удаления перегородки это движение приводит к постепенному равномерному распределению частиц, поэтому газы смешиваются без внешней работы. Для обратного разделения пришлось бы целенаправленно сортировать молекулы и затрачивать энергию, а само собой такое разделение не наблюдается.
При скольжении бруска сила трения действует против движения и уменьшает упорядоченную механическую энергию. Эта энергия переходит во внутреннюю энергию бруска, поверхности и окружающей среды: тела немного нагреваются. Молекулы продолжают двигаться хаотически, но самопроизвольного согласованного движения всех частиц, которое вернуло бы брусок в движение, не происходит.
Закон сохранения энергии утверждает, что энергия не возникает из ничего и не исчезает, а только переходит из одной формы в другую. Поэтому он допускает и переход теплоты от горячего к холодному, и формально обратный переход, если учесть изменение энергии. Но этот закон сам по себе не объясняет, какое направление является самопроизвольным; направленность процессов устанавливается дополнительными закономерностями термодинамики.
Обратный ход необратимого процесса можно организовать внешним воздействием. Насос способен разделять смесь, холодильная установка переносит теплоту от холодного тела к горячему, а двигатель может сообщить движение остановившемуся телу. При этом работу выполняет внешнее устройство, а изменения происходят также в нём и окружающей среде, поэтому исходный процесс не становится обратимым.
| Процесс | Наблюдаемое самопроизвольное направление | Что не происходит самопроизвольно |
|---|---|---|
| Передача теплоты | От более нагретого тела к менее нагретому, до теплового равновесия | Переход теплоты от холодного тела к горячему |
| Смешивание газов | Равномерное распространение газов по всему доступному объёму | Самопроизвольное разделение смеси на исходные газы |
| Трение и механическое движение | Переход механической энергии во внутреннюю энергию | Самопроизвольное превращение внутренней энергии в направленное движение |
Чтобы пользоваться таблицей, сначала определите, какой процесс наблюдается, а затем найдите его естественное направление. Правая колонка показывает, какой обратный ход не возникает без внешней работы. Отсутствие самопроизвольного обратного процесса не означает невозможности его организовать технически.
Два тела с разной температурой соприкоснули в теплоизолированной системе. Нужно определить направление теплообмена и конечное состояние. Потерями энергии наружу можно пренебречь, поэтому энергия одного тела передаётся другому.
Ответ: теплота самопроизвольно переходит от горячего тела к холодному. В конце устанавливается тепловое равновесие, то есть общая температура тел становится одинаковой.
В одном отсеке сосуда находится газ, соседний отсек вакуумирован, а затем перегородку убрали. Нужно объяснить изменение состояния газа и возможность обратного хода. Внешнее пространство для газа стало доступным, но перегородка не выполняет работу над газом.
Ответ: происходит свободное расширение газа во весь сосуд. Самопроизвольный возврат в прежний отсек не наблюдается; возможный возврат с помощью устройства не делает расширение обратимым.
Брусок скользит по шероховатой поверхности и останавливается. Требуется проследить превращения энергии и объяснить отсутствие обратного движения. Силы трения направлены против скорости бруска.
Ответ: механическая энергия превращается во внутреннюю, а брусок останавливается. Закон сохранения энергии не нарушен, но он не требует обратного превращения тепла в направленное движение.
Ошибка: считать, что необратимый процесс вообще нельзя обратить. Её допускают, путая невозможность самопроизвольного возврата с физической невозможностью; проверить себя можно вопросом: требуется ли внешняя работа для обратного хода.
Ошибка: связывать необратимость с нарушением закона сохранения энергии. На самом деле энергия сохраняется, но меняются её форма и распределение; нужно проследить, куда перешла энергия каждого участника процесса.
Ошибка: полагать, что самопроизвольный процесс обязательно быстрый. Самопроизвольность задаёт направление, а не скорость, поэтому некоторые такие процессы идут медленно.
Ошибка: считать, что в равновесии молекулы прекращают двигаться. Прекращаются макроскопические изменения, но тепловое движение продолжается; проверка — вспомнить, что температура связана с движением частиц.
Для понимания необратимости нужны закон сохранения энергии, понятие внутренней энергии и способы её изменения: теплообмен и работа. Идея направленности процессов становится основой второго закона термодинамики и объясняет ограничения работы тепловых машин. Понятия теплообмена и теплового равновесия пригодятся при изучении газов, холодильных установок и двигателей.
Почему тепло не переходит самопроизвольно от холодного тела к горячему?
При контакте тел энергия самопроизвольно распределяется от более нагретого тела к менее нагретому. Обратный перенос возможен, например, в холодильнике, но для этого требуется работа внешнего устройства.
Можно ли обратить необратимый процесс?
Да, обратный ход можно организовать внешним воздействием. Однако самопроизвольно система и окружающие тела к исходному состоянию не вернутся, поэтому исходный процесс остаётся необратимым.
Нарушается ли закон сохранения энергии при трении?
Нет, энергия сохраняется: механическая энергия переходит во внутреннюю энергию бруска, поверхности и окружающего воздуха. Необратимость связана не с исчезновением энергии, а с невозможностью её самопроизвольного обратного превращения в упорядоченное движение.
Почему смешавшиеся газы не разделяются обратно сами?
Молекулы обоих газов хаотически движутся и постепенно равномерно распределяются по доступному объёму. Самопроизвольное возвращение каждой группы молекул в свой отсек крайне невероятно и в обычных условиях не наблюдается.
Чем обратимый процесс отличается от необратимого?
Обратимый процесс можно провести в обратном направлении так, чтобы система и окружающие тела полностью вернулись в исходное состояние. Необратимый процесс имеет предпочтительное самопроизвольное направление, а его обратный ход требует внешнего воздействия.
§ 5.8. Необратимость процессов в природе
