10 класс
§ 50. Необратимость тепловых процессов. Второй закон термодинамики
Необратимость тепловых процессов в природе.
Закон сохранения энергии утверждает, что количество энергии при любых её превращениях остаётся неизменным. Но он ничего не говорит о том, какие возможны энергетические превращения. Между тем многие процессы, вполне допустимые с точки зрения закона сохранения энергии, никогда не протекают в действительности.
Приведём пример. Колебания маятника, выведенного из положения равновесия, с течением времени затухают.
На рисунке 7.18 цифрами 1, 2, 3, 4 показаны последовательные положения маятника при максимальных отклонениях от положения равновесия. За счёт работы сил трения механическая энергия убывает, а температура маятника и окружающего воздуха слегка повышается. Энергетически допустим и обратный процесс, когда амплитуда колебаний маятника увеличивается за счёт охлаждения самого маятника и окружающей среды. Но такой процесс никогда не наблюдался. Механическая энергия самопроизвольно переходит во внутреннюю энергию, но не наоборот.
Можно привести множество подобных примеров. Все они свидетельствуют о том, что процессы в природе имеют определённую направленность, никак не отражённую в первом законе термодинамики. Все процессы в природе протекают только в одном определённом направлении. В обратном направлении самопроизвольно они протекать не могут.
Необратимым процессом называют такой процесс, обратный которому может протекать только как одно из звеньев более сложного процесса.
Так, в примере с маятником можно вновь увеличить амплитуду колебаний маятника, подтолкнув его рукой. Но это увеличение амплитуды возникает не само собой, а становится возможным в результате более сложного процесса, включающего толчок рукой. Можно перевести количество теплоты от холодного тела к горячему, но для этого нужна холодильная установка, потребляющая энергию, и т. д.
Второй закон термодинамики.
Второй закон термодинамики указывает направление возможных энергетических превращений и выражает необратимость процессов в природе. Он был установлен в результате обобщения опытных фактов. Существует несколько формулировок второго закона термодинамики, которые, несмотря на внешнее различие, эквивалентны.
Клаузиус сформулировал этот закон в следующем виде (формулировка Клаузиуса).
Невозможно перевести теплоту от более холодной системы к более горячей при отсутствии одновременных изменений в обеих системах или окружающих телах.
Согласно современной терминологии под теплотой следует понимать внутреннюю энергию. В формулировке Клаузиуса констатируется опытный факт определённой направленности теплообмена: энергия самопроизвольно переходит всегда от более нагретых тел к менее нагретым, до тех пор пока их температуры не выравняются. Отметим, что возможно передать энергию от менее нагретого тела к более нагретому (например, в холодильнике от его морозильной камеры к её радиатору). Однако при этом двигатель холодильника совершает работу, т. е. передача энергии в данном случае не является самопроизвольной.
Другая формулировка второго закона термодинамики принадлежит У. Томсону (формулировка Томсона).
Невозможно осуществить такой периодический процесс, единственным результатом которого было бы получение работы за счёт теплоты, взятой от одного источника.
Если, например, паровая машина совершает работу за счёт энергии, полученной от парового котла, то совершаемая работа не является единственным результатом процесса, так как часть энергии обязательно уходит в атмосферу вместе с отработанным паром.
Первый закон термодинамики можно сформулировать в виде утверждения о невозможности создания вечного двигателя первого рода. При этом этот закон допускает переход количества теплоты, полученного холодным телом от горячего тела, или, наоборот, переданного холодным телом горячему телу. В этом случае можно было бы построить тепловую машину без холодильника, что позволило бы превращать в работу всё количество теплоты, переданное нагревателем рабочему телу. Однако создание подобного устройства (его называют вечным двигателем второго рода) будет противоречить второму закону термодинамики, который указывает направление процессов в природе. C учётом этого формулировке второго закона термодинамики, данной Томсоном, можно придать следующий вид.
Невозможно построить вечный двигатель второго рода, т. е. двигатель, совершающий работу только за счёт охлаждения какого-либо одного тела.
Второй закон термодинамики утверждает факт необратимости процессов в природе, но не даёт ему никакого объяснения. Оно может быть получено только на основе МКТ.
Рассмотрим закрытый сосуд, разделённый перегородкой на две равные части A и B (рис. 7.19).
Пусть в начальный момент в части А находится N молекул идеального газа, а в части В — ни одной.
Удалим перегородку. Молекулы из части А начнут переходить в часть В сосуда. Вскоре возникнет и обратный поток молекул из части В в часть А, после чего начнётся обмен молекулами между обеими частями сосуда. Со временем наступит состояние динамического равновесия. При этом средние значения чисел молекул N1 и N2 в обеих частях сосуда будут равны друг другу: N1 = N2 = N/2.
Обратим внимание, что равенство относится именно к средним значениям за длительный промежуток времени, а для мгновенных значений N1 и N2 почти никогда не соблюдается. Так, принципиально возможна ситуация, при которой все молекулы газа вновь оказались бы в части А сосуда. Почему же такие процессы не наблюдаются? Ответ заключается в том, что с точки зрения MKT в силу колоссальности числа молекул N такие процессы крайне маловероятны.
Поясним сказанное на примере. Пусть в закрытом сосуде находится всего одна молекула идеального газа. C равной вероятностью (р = 1/2) она может попасть либо в часть А, либо в часть В сосуда. Введём в сосуд вторую молекулу. Поскольку молекулы идеального газа не взаимодействуют друг с другом, то их попадания в ту или иную часть сосуда являются независимыми событиями. Тем самым, вероятность того, что обе молекулы окажутся в части А сосѵда, будет равна PA = l/2 • l/2 = 1/4.
Рассуждая аналогично, для случая N молекул найдём, что вероятность их попадания в часть А сосуда равна PA = (1/2)N. Так, при N = 5 получим PA = (1/2)5 ≈ 1/32. Это означает, что с увеличением числа молекул вероятность того, что они все окажутся в части А сосуда, уменьшается.
Если взять реальное число молекул газа в 1 см3 при нормальных условиях (N = 3∙1019), то значение данной вероятности получится чрезвычайно малым: 
. Это значение будет практически равно нулю, поэтому данное событие никогда не реализуется.
В заключение сделаем ряд выводов.
1. Только из-за большого числа молекул в макроскопических телах процессы в природе оказываются необратимыми. Обратные процессы возможны, но их вероятность близка к нулю.
2. Наиболее вероятным событием для термодинамической системы является равномерное распределение частиц (в рассмотренном примере — молекул идеального газа) по всему объёму сосуда.
3. Второй закон термодинамики имеет статистический характер.
Вопросы:
1. Приведите примеры необратимых процессов.
2. Какой закон термодинамики позволяет установить направленность процессов в природе?
3. Приведите формулировки второго закона термодинамики, данные Клаузиусом и Томсоном.
4. Какое устройство называют вечным двигателем второго рода?
5. Как в рамках MKT можно объяснить необратимость макроскопических процессов в природе?
