Номер 5, страница 271 - гдз по физике 10 класс учебник часть 1 Генденштейн, Дик

Молекулярная физика и термодинамика. Глава 6. Термодинамика. Параграф 33. Второй закон термодинамики. Охрана окружающей среды - номер 5, страница 271.

Условие.

5. Какие механические явления являются обратимыми, а какие — необратимыми? Обоснуйте свой ответ.

Решение.

Решение

Механические явления можно разделить на обратимые и необратимые в зависимости от того, могут ли они самопроизвольно протекать в обратном направлении через те же промежуточные состояния.

Обратимыми называются механические явления, которые могут происходить как в прямом, так и в обратном направлении. В таких процессах полная механическая энергия системы (сумма кинетической и потенциальной энергии) сохраняется. Это идеализированные процессы, в которых отсутствуют диссипативные силы, такие как трение и сопротивление среды. Законы, описывающие такие явления (например, второй закон Ньютона $F = m\frac{d^2x}{dt^2}$), инвариантны относительно замены времени $\text{t}$ на $-t$ (обращение времени). Это означает, что если заснять такой процесс на видео и проиграть его в обратную сторону, наблюдаемое движение будет также подчиняться законам физики. Примерами обратимых механических явлений являются: движение тела под действием только силы тяжести в вакууме, колебания идеального математического маятника, абсолютно упругое столкновение двух тел, колебания тела на идеальной пружине.

Необратимыми называются механические явления, которые могут протекать только в одном направлении. Попытка обратить такой процесс привела бы к нарушению фундаментальных законов природы, в частности, второго закона термодинамики. Необратимость в механике всегда связана с действием диссипативных сил (трение, вязкое сопротивление среды) или неупругими деформациями. В ходе таких процессов механическая энергия не сохраняется, а частично или полностью переходит во внутреннюю (тепловую) энергию тел и окружающей среды. Этот переход энергии в тепло является необратимым, так как тепловая энергия не может самопроизвольно и полностью преобразоваться обратно в упорядоченную механическую энергию. Примерами необратимых механических явлений являются: движение тела, сопровождающееся трением (например, скольжение шайбы по льду до полной остановки), движение тела в вязкой среде (падение парашютиста в воздухе), абсолютно неупругое столкновение тел, любая пластическая деформация тела.

Обоснование: Ключевое различие между обратимыми и необратимыми механическими явлениями заключается в наличии или отсутствии диссипативных сил. В обратимых процессах действуют только консервативные силы (сила тяжести, сила упругости), работа которых не зависит от пути, и полная механическая энергия сохраняется. В необратимых процессах присутствуют неконсервативные (диссипативные) силы, такие как сила трения, работа которых зависит от пути и всегда приводит к уменьшению полной механической энергии системы за счет ее перехода в тепло. Согласно второму началу термодинамики, энтропия (мера беспорядка) в замкнутой системе не может уменьшаться. Переход механической энергии в тепловую всегда сопровождается увеличением энтропии, поэтому обратный процесс (самопроизвольное превращение тепла в механическую работу) невозможен.

Ответ: Обратимые механические явления — это процессы, в которых сохраняется полная механическая энергия и которые могут протекать в обратном направлении (например, колебания идеального маятника, абсолютно упругий удар). Они происходят при отсутствии сил трения и сопротивления. Необратимые механические явления — это процессы, сопровождающиеся переходом механической энергии во внутреннюю энергию (тепло) из-за действия диссипативных сил, таких как трение или сопротивление среды (например, торможение автомобиля, неупругий удар). Такие процессы не могут самопроизвольно протекать в обратном направлении, так как это противоречило бы второму закону термодинамики.