Незворотність теплових процесів

2-й семестр

МОЛЕКУЛЯРНА ФІЗИКА Й ТЕРМОДИНАМІКА

2. Основи термодинаміки

Урок 7/96

Тема. Незворотність теплових процесів

Мета уроку: ознайомити учнів зі зворотними і незворотними процесами; викласти суть другого закону термодинаміки

Тип уроку: вивчення нового матеріалу

План уроку

Контроль знань	5 хв.	1. Принцип роботи теплового двигуна. 2. ККД теплових двигунів. 3. Холодильні машини.
Вивчення нового матеріалу	30 хв.	1. Оборотні та необоротні процеси. 2. Другий закон термодинаміки. 3. Енергетична криза. 4. Екологічна криза. 5. Охорона навколишнього середовища.
Закріплення вивченого матеріалу	10 хв.	1. Тренуємося розв’язувати задачі. 2. Контрольні запитання.

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Оборотні та необоротні процеси

Багато які механічні процеси бувають оборотними, тобто можуть протікати в обох напрямах у часі. Гарним прикладом оборотного процесу є коливання вантажу на нитці або на пружині, коли амплітуда коливань практично

не змінюється. Якщо зняти цей процес на кіноплівку і під час перегляду крутити “кіно навпаки”, глядачі не помітять “звернення часу” і будуть вважати, що наримуватися реальний процес.

Однак, далеко не всі механічні процеси зворотні. Наприклад, якщо штовхнути брусок, що лежить на столі, то він якийсь час буде рухатися по столу, набираючи швидкість, а потім зупиниться. Цей процес необоротний, тобто він може протікати тільки в одному напрямі в часі. У цьому випадку “кіно навпаки” буде схоже на диво: брусок, що лежить на столі, раптом сам зрушить з місця і почне ковзати по столу, набираючи швидкість.

Чому ж такого насправді не буває? Може, така поведінка бруска суперечить закону збереження енергії: звідки брусок отримував би енергію для розгону? Доведемо, що закон збереження енергії в такому уявному процесі не порушується. Якщо вимірювати в ході процесу температури бруска і столу, ми побачимо, що при “справжньому” русі брусок зупинився, але температури бруска і столу трохи збільшилися, тобто внаслідок тертя механічна енергія перейшла у внутрішню. А що буде в “кіно навпаки”? Брусок, що лежить на столі, приходить в рух і рухається зі швидкістю, яка збільшується, але при цьому температури столу і бруска зменшуються. Тому в такому уявному процесі протиріччя у законі збереження енергії немає: внутрішня енергія переходить у механічну і повна енергія зберігається.

Приклад незворотного процесу в теплових явищах – теплопередача. Якщо привести в контакт два тіла з різною температурою, їх температури почнуть вирівнюватися. Ніхто і ніколи не спостерігав, щоб при теплопередачі гаряче тіло ставало б ще гарячішим, а холодне охолоджувалося до більш низької температури. Але ж при такому нереальному процесі закон збереження енергії теж не порушувався б: адже сумарна внутрішня енергія обох тіл залишалася б незмінною.

Отже, ми бачимо, що закон збереження енергії (перший закон термодинаміки) не визначає напрями процесу в часі.

2. Другий закон термодинаміки

Закон, який визначає напрям процесів у часі, називається другим законом термодинаміки. Його вперше сформулював Карно. Ми наведемо формулювання цього закону, яке дав німецький фізик Клаузіус в середині 19-го століття.

У цьому формулюванні другий закон термодинаміки говорить, що неможливий процес, єдиним результатом якого була б передача теплоти від холодного тіла до гарячого.

Очевидним наслідком другого закону термодинаміки є те, що при теплопередачі теплота завжди переходить від гарячого тіла до холодного. А ось менш очевидний, але не менш важливий висновок: механічна робота не може відбуватися за рахунок охолодження найбільш холодного тіла системи. Щоб довести це, будемо розмірковувати від протилежного. Припустимо, у нас є два тіла – холодне та гаряче. Нам вдалося сконструювати двигун, який здійснює роботу тільки за рахунок зменшення температури холодного тіла. Використовуємо цю роботу для розігрівання гарячого тіла. Наприклад, якщо це газ, – стиснемо його. Тоді виходить, що єдиним результатом усіх процесів буде передача теплоти від холодного тіла до гарячого, а це суперечить другому закону термодинаміки.

Двигун, який міг би працювати тільки за рахунок охолодження холодного тіла, називають “вічним двигуном другого роду”. Якби такий двигун можна було побудувати, це вирішило б усі енергетичні проблеми людства. Достатньо було б охолоджувати воду світового океану. Однак, як ми бачимо, другий закон термодинаміки стверджує, що такий двигун неможливий (хоча його існування і не суперечить закону збереження енергії).

3. Енергетична криза

Енергетична криза – це явище, яке виникає коли попит на енергоносії значно вищий за їх пропозиції.

Як же можна узгодити енергетичну кризу з законом збереження енергії: адже якщо енергія зберігається, як її може бракувати?

Зараз як основні енергетичні ресурси використовують торф, вугілля, нафту, природний газ. Встановлено, що їх хімічна енергія була накопичена впродовж тисячоліть завдяки біологічним процесам. Статистичні дані з використання цих ресурсів показують, що в найближчі сторіччя вони будуть вичерпані. Тому, на основі закону про збереження енергії, люди (якщо не знайдуть інших джерел енергії) будуть поставлені перед необхідністю в обмеженні її споживання, і це призведе до зниження рівня матеріального добробуту людства.

Енергетична криза полягає не просто в нестачі енергії, а в нестачі енергії, придатної для перетворення на механічну енергію.

Наприклад, ми бачили, що під час роботи теплових двигунів відбувалося певне перетворення хімічної енергії палива на механічну енергію. Це перетворення енергії є незворотним, а запаси палива на нашій планеті неухильно зменшуються. Наприклад, розвіданих запасів нафти з теперішніми темпами її використання вистачить усього на декілька десятиліть.

Таким чином, енергетична криза є наслідком незворотності процесів, що відбуваються в природі та техніці.

4. Екологічна криза

Екологічна криза являє собою свого роду порушення рівноваги в природних системах, між їх складовими частинами: водою, повітрям, грунтом, тваринним і рослинним світами, людиною та її діяльністю. Оскільки в природі все взаємопов’язано, порушення одного компонента (наприклад, виснаження водних запасів) веде до зміни інших (висушування і похолодання клімату, зміни грунтів та видового складу організмів).

У такій ситуації виникає дисбаланс між можливостями природи і потребами людини, що неминуче призводить до загострення взаємовідносин у суспільстві. Особливо різко зросло навантаження на навколишнє середовище в другій половині XX століття.

У взаємовідносинах між суспільством і природою відбувся якісний стрибок, коли в результаті різкого збільшення чисельності населення, інтенсивної індустріалізації нашої планети, господарські навантаження почали повсюдно перевищувати здатність екологічних систем до самоочищення і регенерації. Внаслідок цього порушився природний кругообіг речовин у біосфері, під загрозою опинилося здоров’я теперішнього та майбутнього поколінь людей. У всіх теплових двигунах в якості холодильника врешті-решт використовується навколишнє середовище (атмосферне повітря і вода відкритих водойм). У результаті відбувається підвищення температури довкілля, назване “теплове забруднення”. Теплове забруднення посилюється тим, що під час згорання величезної кількості палива підвищується концентрація вуглекислого газу в земній атмосфері, а за великої концентрації вуглекислого газу атмосфера не “випускає” в космічний простір теплове випромінювання нагрітої Сонцем поверхні Землі. У результаті виникає “парниковий ефект”, тобто температура підвищується ще більше.

Екологічна проблема сучасного світу не лише гостра, але і багатогранна. Вона існує практично в усіх галузях матеріального виробництва (особливо в сільському господарстві, хімічній промисловості, чорної та кольорової металургії, атомній енергетиці).

5. Охорона навколишнього середовища

Отже, за отримання корисних і сильних помічників – теплових двигунів – людям доводиться досить дорого платити. Наприклад, вдихати автомобільні вихлопи під час прогулянок по місту.

Щоб зменшити негативні наслідки роботи теплових двигунів, діють за таким принципом: з одного боку, удосконалюють ці двигуни-мотелі, підвищуючи їх ККД і зменшуючи викид шкідливих речовин; з іншого боку – використовують енергозберігаючі технології, до розвитку яких особливо сильно підштовхнула енергетична криза.

Наприклад, у країнах, де ці технології розробляються вже протягом десяти років, споживання енергії на виробництві тієї ж самої продукції в декілька разів нижче, ніж у країнах, які тільки зараз починають приділяти увагу енергозберігаючим технологіям.

Питання до учнів у ході викладення нового матеріалу

1. Наведіть приклади оборотних процесів.

2. Наведіть приклади необоротних процесів.

3. Чи впливають теплові двигуни на навколишнє середовище?

4. Чим зумовлена екологічна криза?

5. Якщо б річки потекли в зворотному напрямі, означало б це порушення закону зберігання енергії?

6. Чи пов’язана незворотність процесів з законом збереження енергії?

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1). Тренуємося розв’язувати задачі

1. Чи спрацьовує правило незворотності термодинамічних процесів у системі, яка складається з трьох молекул газів?

Розв’язок

Не спрацьовує. Закон має статистичний характер і спрацьовує тим точніше, чим більше молекул входить до складу термодинамічної системи.

2. Чи можна було б користуватися вітряними двигунами, якби температура атмосферного повітря була б скрізь однаковою?

3. У спекотний день господиня вирішила залишити на кухні ввімкнений холодильник (відкритим), щоб він “охолоджував кухню”. Чи справді в кухні стане прохолодніше?

2). Контрольні питання

1. Чи може механічний рух твердого тіла перетворитися на тепловий невпорядкований рух його молекул без участі інших тіл?

2. Чи може який-небудь реальний процес бути в точності оборотним? Обгрунтуйте свою відповідь.

3. Які основні напрями боротьби з негативними наслідками застосування теплових двигунів?

4. Чому, вимикаючи зайве освітлення, ми допомагаємо охороні довкілля?

Про що ми дізналися на уроці

– Другий закон термодинаміки говорить, що неможливий процес, єдиним результатом якого була б передача теплоти від холодного тіла до гарячого.

Домашнє завдання

Конспект.