Физика для школьников старших классов и поступающих - Яворский Б.М.
ISBN 5-7107-9384-1
Скачать (прямая ссылка):
§ И.4.2. ОБРАТИМЫЕ И НЕОБРАТИМЫЕ ПРОЦЕССЫ
165
означает их симметричность по отношению к замене будущего прошедшим, т. е. по отношению к изменению знака времени. Обратимость механических движений вытекает из дифференциальных уравнений движения (1.2.4.4°). При замене знака времени меняет знак и скорость тела, но ускорение, которое входит в уравнения движения, сохраняет свой знак.
Пример 2. Обратимым процессом являются незатухающие колебания, которые совершает в вакууме тело, подвешенное на абсолютно упругой пружине (IV.1.2.3°). Система «тело — пружина» является консервативной (1.3.1.7°). Ее механические колебания не вызывают изменения энергии теплового хаотического движения частиц системы. Только изменения конфигурации и скорости движения системы приводят к изменению ее состояния. Ho эти изменения полностью повторяются по истечении периода колебаний T (IV.1.1.2°), и условия обратимости процесса (п. 1°) оказываются выполненными.
2°. Любой процесс, не удовлетворяющий условиям обратимости (п. 1°), называется необратимым (необратимый процесс).
Пример 3. Необратимым процессом является прямой процесс торможения тела под действием сил трения. Если эти силы являются единственными, действующими на тело, то скорость тела уменьшается, и оно останавливается. Энергия механического движения тела как целого уменьшается и расходуется на увеличение энергии хаотического движения частиц тела и окружающей среды. Внутренняя энергия (П.2.1.2°) тела и среды возрастает, происходит их нагревание за счет действия сил трения. Рассмотренный прямой процесс протекает самопроизвольно: он осуществляется без каких-либо процессов, происходящих с окружающими телами. Для того чтобы произошел обратный процесс и система возвратилась в исходное состояние, необходимо, чтобы остановившееся тело вновь пришло в движение за счет охлаждения его и окружающей среды. Как показывают опыты, тепловое хаотичное движение частиц тела не может самопроизвольно привести к возникновению упорядоченного движения всех частиц тела как целого. Для осуществления такого движения необходим дополнительный компенсирующий процесс охлаждения тела и среды до первоначальной температуры. При этом будет отдано холодильнику количество теплоты Q, и над телом будет совершена работа A" = Q.
Таким образом, последовательное проведение таких прямого и обратного процессор возвращает систему «тело—среда» в
166
ГЛ. II.4. ВТОРОЙ ЗАКОН (НАЧАЛО) ТЕРМОДИНАМИКИ
исходное состояние, однако состояние внешних тел изменяется. Поэтому все процессы, сопровождающиеся трением, являются необратимыми.
Пример 4. Прямой процесс теплообмена (П.2.2.4°) между контактирующими телами с различной температурой происходит самопроизвольно. Обратный процесс — нагревание одного тела за счет охлаждения другого, имевшего вначале такую же температуру, что и первое, самопроизвольно происходить не может. Для осуществления такого процесса используется холодильное устройство (11.4.1.11°). Процесс теплообмена при конечной разности температур является необратимым процессом.
§ II.4.3. Второй закон (второе начало) термодинамики
1°. Обращение к результатам опытов для доказательства необратимости процессов теплообмена и движения с трением (11.4.2.2°) не случайно. Первое начало термодинамики (11.2.3.1°) не может исчерпывающим образом описывать термодинамические процессы. Существенной ограниченностью первого начала является невозможность с его помощью предсказать направление протекания термодинамического процесса. Любой процесс, при котором не нарушается закон сохранения энергии, возможен с точки зрения первого начала термодинамики. В частности, возможен процесс самопроизвольной передачи энергии в форме теплоты от менее нагретого тела к более нагретому телу. Возможен также процесс, единственным результатом которого было бы получение некоторого количества теплоты от тела и превращение ее в эквивалентную работу. Периодически действующее устройство, основанное на первом законе термодинамики, которое совершает работу за счет охлаждения одного источника теплоты (например, внутренней энергии больших водоемов), называется вечным двигателем второго рода.
2°. Вторым началом (законом) термодинамики называется полученное опытным путем утверждение о невозможности построения вечного двигателя второго рода (л. 1°). Второе начало имеет две наиболее распространенные формулировки, которые эквивалентны друг другу:
а) невозможен процесс, единственным результатом которого является превращение всей теплоты, полученной от некоторого тела, в эквивалентную ей работу;
§ II.4.3. ВТОРОЙ ЗАКОН (НАЧАЛО) ТЕРМОДИНАМИКИ
167
б) невозможен процесс, единственным результатом которого является передача энергии в форме теплоты от тела менее нагретого к телу более нагретому.
. 3°. Из второго закона термодинамики следует неравноценность работы и теплоты как двух форм передачи энергии. Переход упорядоченного движения тела как целого в хаотическое движение его частиц является необратимым процессом, происходящим без компенсирующих процессов (11.4.2.2°). Переход неупорядоченного движения частиц тела в упорядоченное движение тела как целого требует, чтобы одновременно происходил какой-либо компенсирующий процесс1.
