Необратимость тепловых процессов

Кадр 1

Диафильм сделан по заказу Министерства просвещения СССР для факультативных занятий по физике в 9 классе

Кадр 2

БРАТИМЫЕ И НЕОБРАТИМЫЕ ПРОЦЕССЫ

Кадр 3

При колебаниях маятника потенциальная энергия превращается в кинетическую, затем кинетическая энергия вновь превращается в потенциальную.

Кадр 4

Маятник сам собой возвращается в первоначальное состояние, пройдя в обратном порядке все промежуточные этапы. К концу процесса все тела в природе возвращаются в исходное состояние.

Кадр 5

Итак, преобразование потенциальной энергии в кинетическую и кинетической энергии в потенциальную обратимо. Также обратимо падение абсолютно упругого шарика на абсолютно упругую плиту.

Кадр 6

Однако из-за трения колебания маятника затухают, о чем свидетельствует запись его колебаний.

Кадр 7

Поскольку абсолютно упругих тел нет, шарик подпрыгивает все ниже и ниже. Это хорошо видно на серии последовательных фотографий.

Кадр 8

При трении и неупругом ударе механическая энергия самопроизвольно превращается во внутреннюю и тела нагреваются.

Кадр 9

Кинетическая энергия тела связана с упорядоченным движением молекул.

Кадр 10

Внутренняя энергия обусловлена хаотиским, тепловым движением молекул.

Кадр 11

Опыт показывает, что энергия упорядоченного движения (механическая энергия) самопроизвольно превращается в энергию хаотического движения молекул (то есть во внутреннюю энергию). Однако это преобразование энергии необратимо.

Кадр 12

Невозможен процесс, единственным результатом «которого было бы преобразование внутренней энергии в механическую, то есть преобразование энергии хаотического движения молекул в энергию упорядоченного движения.

Кадр 13

процесс самопроизвольного превращения внутренней энергии в механическую так же хорошо согласуется с законом сохранения энергии, как и легко реализуемый обратный процесс. Следовательно, особенности превращения внутренней энергии в механическую связаны с другим законом природы — не с первым, а со вторым началом термодинамики.

Кадр 14

Необратимость преобразования механической энергии во внутреннюю энергию играет важную роль в природе. Если этот процесс был бы обратим, то ураганы, тайфуны, смерчи, землетрясения, раз возникнув, повторялись бы вечно.

Кадр 15

Необратимым является процесс теплообмена. Энергия в форме тепла переходит от горячего тела к холодному до тех пор, пока их температуры не станут равными.

Кадр 16

Однако никогда не *наблюдается* обратный процесс—разогрев тела за счет передачи ему теплоты от более холодного, хотя такой процесс не противоречил бы закону сохранения энергии.

Кадр 17

Необратим также процесс диффузии. Так, чернила самопроизвольно растворяются в воде, равномерно окрашивая весь объем.

Кадр 18

Однако никогда не наблюдается обратный процесс, при котором чернила собрались бы в одну каплю, а вода бы просветлела.

Кадр 19

„Противоречие между обратимыми и необратимыми процессами оказывaется весьма глубоким, и это различие… должно сыграть в физическом мировоззрении самую важную роль“ (МАКС ПЛАНК).

Кадр 20

НЕОБРАТИМОСТЬ И СТАТИСТИКА В чем же причина необратимости тепловых процессов? Ведь в основе они имеют движение и взаимодействие молекул, а это-обратимые процессы.

Кадр 21

Рассмотрим возможные распределения четырех частиц по двум половинам сосуда. При беспорядочном движении, например, при встряхивании сосуда все 16 возможных распределений равновероятны.

Кадр 22

Однако на самом деле молекулы неразличимы. Поэтому нам нужно оценить вероятности наблюдаемых пяти состояний, отличающихся числом частиц в двух половинах сосуда.

Кадр 23

С наименьшей вероятностью—одним способом—реализуются состояния, когда одна из половин сосуда пуста, а все частицы находятся во второй половине. Вероятность каждого из этих состояний равна 1/16, то есть 6,25%.

Кадр 24

Более вероятны состояния, когда в одной половине сосуда находится одна частица, а в другой половине — три. Вероятность каждого из этих состояний равна 4/16, то есть 25,0%.

Кадр 25

Состояние равномерного распределения частиц по обеим половинам сосуда наиболее вероятно. Оно реализуется шестью способами, и его вероятность равна ⁶⁄₁₆, то есть 37,5%.

Кадр 26

Пусть N—полное число частиц, n—число частиц в половине сосуда и W—вероятность соответствующего состояния. Построим график вероятностей различных состояний в системе из четырех частиц (N=4). Аналогичный график для системы из восьми частиц (N=8) имеет значительно более резкий максимум.

Кадр 27

Чем из большего числа частиц состоит система, тем более вероятно состояние с равномерным распределением частиц по обеим половинам сосуда и очень маловероятно неравномерное распределение.

Кадр 28

Это позволяет объяснить необратимость процесса диффузии. Как только будет убрана перегородка, газы самопроизвольно перемешаются благодаря хаотическому движению молекул.

Кадр 29

Обратный процесс самопроизвольного разделения смеси двух газов на отдельные составляющие так маловероятен, что он практически никогда не происходит.

Кадр 30

Если насыпать на дно стакана сахарный песок, сверху какао и начать размешивать, то получится однородная смесь. Дальнейшее перемешивание не восстановит первоначальный порядок.

Кадр 31

По этой же причине необратим процесс превращения механической энергии во внутреннюю. Хаотическое, тепловое движение молекул реализуется с неизмеримо большей вероятностью, чем упорядоченное механическое движение.

Кадр 32

По этой же причине необратим теплообмен. Случай, когда средние энергии молекулярного движения контактирующих тел различны, значительно менее вероятен, чем случай равенства средних энергий молекул.

Кадр 33

Итак, необратимость тепловых процессов имеет статистический смысл. Замкнутая и адиабатически изолированная система, состоящая из огромного множества частиц, самопроизвольно переходит из менее вероятных в более вероятные состояния. Обратные процессы сами собой практически никогда не происходят. Это и есть второе начало термодинамики.

Кадр 34

В технике широкое применение имеют тепловые двигатели. Они установлены на тепловых электростанциях, на самолетах и ракетах.

Кадр 35

на автомобилях и тепловозах. Во всех тепловых двигателях количество теплоты, полученное рабочим телом (паром или газом), превращается в работу, то есть внутренняя энергия превращается в механическую.

Кадр 36

Это не противоречит второму началу термодинамики—наряду с маловероятным процессом превращения внутренней энергии в механическую, идет компенсирующий процесс передачи тепла от нагревателя к холодильнику.

Кадр 37

Как показал в 1824 году Сади Карно, процесс преобразования внутренней энергии тем более эффективен, чем эффективнее компенсирующий процесс теплообмена, то есть чем больше разность температур нагревателя и холодильника.

Кадр 38

В холодильной установке за счет работы компрессора теплота передается от холодильной камеры окружающей среде, температура которой выше температуры холодильной камеры.

Кадр 39

Это не противоречит второму началу термодинамики — наряду с маловероятным процессом переноса тепла от холодного тела к более нагретому, идет компенсирующий процесс превращения механической энергии во внутреннюю.

Кадр 40

Таким образом, процессы в тепловых двигателях и холодильных установках полностью подчиняются второму началу термодинамики, которое является таким же фундаментальным законом природы, как и первое начало (закон сохранения энергии).

Кадр 41

Авторы доктор педагогических наук А. ПИНСКИЙ, Л. ШУРЫГИНА Художник Н. СТЕПАНОВ Художественный редактор Редактор В. ДУГИН Г. ВИТУХНОВСКАЯ © Студия „Диафильм“ Госкино СССР, 1979 г. 101000, Москва, Центр, Старосадский пер., 7 Д-025-79 Цветной 0-30