Для самостійного вивчення
Наведемо найбільш просте формулювання другого закону термодинаміки: тепло не може переходити мимовільно холодних тіл до гарячим. Це твердження багато разів підтверджується в нашій практиці, в біту. Наприклад, кожен день ми спостерігаємо перехід тепла від гарячого чайника до холодного окру-жающему повітрю (чайник остигає, нагріваючи поблизу себе воз-дух), але ніхто ніколи не помічав зворотного, щоб чайник сам по собі став нагріватися все більше і більше, забираючи тепло від навколишнього холодного повітря.
Незважаючи на гадану очевидність формулювання другого початку термодинаміки, в ньому прихований великий сенс. Це один з небагатьох фундаментальних законів природи. І, як всякий фундаментальний закон, його неможливо довести! Можна лише експериментально перевіряти його справедливість (що успішно і відбувається кожен день, принаймні, протягом часу, підвладного пам'яті людства). По суті, другий початок термодинаміки - це постулат.
Інша особливість цього початку полягає в тому, що воно не є абсолютно непогрішним, неминуче що виконуються, про в тому, що немає законів природи, що забороняють, наприклад, вилицях повітря соударяющихся зі стінками того ж чайника, віддаючи йому частину своєї кінетичної енергії, т. Е . нагріваючи чайник. В принципі ніщо не забороняє будь-якій з чайників довільно нагрітися за рахунок навколишнього більш холодного повітря. Чому ж цього ніхто не зустрічав в своїй практиці? Реально відбуваються два типи зіткнень молекул повітря стінками чайника: в першому випадку молекули втрачають частину своєї енергії, віддаючи її молекулам стінки, у другому - молекули повітря. навпаки, отримують додаткову енергію від молекул стінки (стінки втрачають цю енергію, остигають).
Охолоне чайник або нагріється, залежить від співвідношення числа наголосів 1-го і 2-го типів. Якщо перший тип переважає, то чайник буде нагріватися, якщо превалює другий тип - чайник остигає. Сам тип удару залежить від таких факторів, як амплітуда, фаза коливань кожної з молекул стінок чайника, швидкість і кут руху молекул повітря, а також від типів молекул стінок чайника і повітря і ін. Чинників багато, важливо їх співвідношення в кожному конкретному ударі. Але ніщо не забороняє, щоб випадково навіть в холодному повітрі переважали удари першого типу, т. Е. Щоб чайник нагрівався за рахунок ще більшого охолодження і так вже холодного повітря.
Ніщо не забороняє також того, щоб у звичайній кімнаті молекули повітря, що володіють найбільшими швидкостями, випадково сконцентрувалися в одному кутку кімнати, а молекули малими швидкостями (згадайте розподіл Максвелла молекул за швидкостями) в протилежному кутку. Це відповідає мимовільного нагрівання повітря в одній частині кімнати охолодженню його в інший. Нарешті ніхто не забороняє, щоб випадково з 1000 кидків монети НСі 1000 разів вона впала б точно па ребро.
Можна принести багато прикладів випадкових подій, яким ніщо не забороняє статися, але тим не менше ніхто ніколи їх не спостерігав. Інтуїтивно, ймовірно, кожен розуміє, чому це відбувається: дані події випадково можливі, але надзвичайно малоймовірні.
В результаті наведених міркувань у нас з'явилося слово, що грає ключову роль в другому початку термодинаміки, - ймовірність. Події в природі можуть бути малоймовірними, а могутбить і найбільш ймовірними.
Другий закон термодинаміки описує лише найбільш ве-роятно процеси, події. Наприклад, перерозподіл тепла від нагрітого кута кімнати (де знаходиться батарея опалення) до іншого, менш нагрітого, - це найбільш ймовірний процес. Зворотний процес теж можливий, але так малоймовірний, що навряд чи хтось з ним зустрічався, а якщо і зустрічався, то трактував це як чудо.
Знайдене нами поняття «ймовірність» нерозривно пов'язане з поняттям стану, в якому знаходиться тіло, система тіл, молекул, атомів, частинок. Будь-який фізичний процес -це перехід з одного стану в інший, т. Е. Перехід від однієї ймовірності до іншої. На рис. 8.13 показаний обсяг V, що містить газ, і три різних стану в розподілі цього газу за обсягом V.
Ясно, що стан 2 є найбільш імовірним для газу, рівномірно заповнює весь обсяг. Стан 3 вельми і вельми малоймовірно (адже ніхто не спостерігав, щоб повітря в когось нате сам собою сконцентрувався б в одному з її кутів). З-стояння 1, очевидно, займає проміжне положення між 2 і 3. Якщо визначити стан термодинамічної ймовірністю, то W3 З практики нам також відомо, що якщо газ в стані 1 надати самому собі, то він перейде в стан 2, а не 3, т. Е. Система молекул «вибере» такий шлях, при якому імовірність-ність W зростає (або, по принаймні, не зменшується). Зверніть увагу, мова йде про мимовільному процесі, т. Е. Без впливу на систему зовнішніх сил. Дійсно, можна було б перевести систему молекул зі стану 1 в со-стояння 3, якщо газ стиснути за допомогою поршня, але ж до поршня, а значить, і до газу була б прикладена зовнішня сила. Другий закон термодинаміки справедливо тільки для ізольованих систем, т. Е. Не схильних до зовнішніх впливів. Саме тому можлива робота холодильників і кондиціо-рів, які, здавалося б, всупереч другому початку термодіна-міки забирають тепло у більш холодного повітря і перекачують його більш гарячого (наприклад, з охолоджувальної кімнати кондиціонер рів передає тепло назовні більш гарячому повітрю). Справа в тому, що в цих випадках обов'язково існує зовнішнє віз-дію з боку електромотора холодильника або кондиціо-нера, що живляться електроенергією від далекої електростанції. Сі-стеми не є ізольованою, а значить, другий початок термо-динаміки не може бути застосовано (звідси цікавий висновок: в неізольованою системі можна організувати практично будь-який «чудо», будь-який рідкісна подія, питання лише в витратах енер-гии для нього ). Згадаймо, що ентропія нерозривно пов'язана з ймовірністю W стану системи: S = k In W. Звернувшись до малюнка 8.13, можемо записати S3 Так як мав місце перехід 1 → 2 то і ентропія системи (молекул газу) змінювалася: S1 → S2. оскільки S1 Якщо врахувати, що можливі і такі переходи, коли імовірність-ність стану, а значить, і ентропія не змінюються, то наведене вище співвідношення можна записати: # 916; S ≥ 0. Це ще одна з формулювань другого початку термодинаміки: ентропія замкнутої системи не зменшується. Очевидно, що якщо система не замкнута, то зміна Ентре-ПІІ # 916; S може бути будь-яким, т. Е. Можливо і # 916; S<0. Вспомним еще одно определение энтропии как меры хаоса, беспорядка в си-стеме и с этой точки зрения рассмотрим второе начало термодина-мики. Итак, чем больше хаоса, тем больше энтропия системы. Тогда из второго начала термодинамики (ΔS ≥ 0) следует, что все самопроизвольные процессы ведут к увеличению хаоса в си-стеме. На малюнку 8.14 показаний посудину з газом, що знаходиться в двох раз-них станах. У стані 1 кожній молекулі газу надавати пріоритет-лено в два рази менше місця для можливого місцезнаходження в порівнянні зі станом 2. Отже, стан 2 пов'язано з великим хаосом, ніж стан 1. Ні в кого з нас немає Зімніть-ня в тому, що якщо в перегородці, що розділяє посудину навпіл, зробити отвір, то газ сам собою заповнить весь посудину, перейшовши в стан 2. у наявності приклад спонтанного процесу, сопровож-даємо зростанням хаосу в системі, т. е. її ентропії (AS> 0). Перехід газу зі стану 1 в стан 2 - це незворотний процес (адже газ назад в половинку обсягу сам не збереться). Очевидно, процес, при якому хаос і ен-Тропе ростуть, незворотній. За час # 916; t зліва направо і навпаки переміщається однакову кількість молекул. Урезультаті рівновагу газу в половинках не порушується. З усього викладеного вище випливає, що другий початок 1. справедливо для ізольованих систем з безліччю тел. 2. носить статистично, характер, і визначає найбільш ймовірний напрямок розвитку процесів, подій. 3. є постулат, результат спостережень, який теоретично довести неможливо. 4. підтверджується експериментальною перевіркою. 5. немає законів природи, що забороняють хоча б раз порушити другий початок термодинаміки для ізольованих систем. 6. в ізольованих системах стверджує, що ентропія зростає або, по крайней мере, не змінюється. Основні поняття В МЕХАНІЦІ · Система відліку складається з тіла відліку, жорстко пов'язаної з ним системи координат і годинника. · Матеріальна точка - макроскопічне тіло, розмірами якого нехтують відповідно до умов завдання. · Траєкторія руху матеріальної точки - сукупність всіх її послідовних положень в просторі. · Вектор переміщення - зміна радіус-вектора в заданій системі відліку. · Шлях s - довжина ділянки траєкторії матеріальної точки за деякий інтервал часу t. - векторна величина, що характеризує швидкість зміни радіус-вектора. - векторна величина, що характеризує швидкість зміни вектора швидкості. · Дотичне (тангенціальне) прискорення -складати повного прискорення, що визначає зміну швидкості по модулю і спрямована по дотичній до траєкторії. - складова повного прискорення, спрямована до центру кривизни траєкторії. · Рівномірний прямолінійний рух - рух з постійною швидкістю. · Равнопеременное прямолінійний рух-рух з постійним прискоренням. · Криволінійний рух-рух по криволінійній траєкторії до мінливих векторами дотичного і нормального прискорень. · Обертальний рух-рух м.т. по колу, що характеризується векторами кутової швидкості і кутового прискорення, модуль яких пов'язаний з лінійною швидкістю м. т. співвідношеннями · Вектор кутової швидкості визначає швидкість зміни кута повороту точки. · Вектор кутового прискорення визначає зміна кутової швидкості. де і - кут і кутова швидкість при t = 0. Знак плюс відповідає рівноприскореного обертанню, а мінус равнозамедленно.Схожі статті