Номер 6, 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 6, страница 271.

Условие.

6. Какие тепловые явления являются обратимыми, а какие — необратимыми? Обоснуйте свой ответ.

Решение.

В термодинамике тепловые явления (процессы) делятся на обратимые и необратимые.

Обратимыми называют такие тепловые процессы, которые могут протекать как в прямом, так и в обратном направлении через одни и те же промежуточные состояния. При этом, если такой процесс совершает замкнутый цикл (возвращается в исходное состояние), то ни в самой системе, ни в окружающей среде не остается никаких макроскопических изменений. Обратимые процессы — это идеализированные модели. Для того чтобы процесс был обратимым, он должен быть равновесным, то есть протекать бесконечно медленно (квазистатически) и без диссипативных эффектов, таких как трение.

Примеры обратимых процессов:

• Бесконечно медленное сжатие или расширение идеального газа в цилиндре под поршнем без трения.
• Плавление льда при температуре 0 °С и атмосферном давлении. Процесс можно направить в любую сторону, незначительно изменяя температуру.
• Колебания математического маятника в вакууме без трения в точке подвеса.

Необратимыми называют все остальные процессы, которые не удовлетворяют условиям обратимости. Это все реальные процессы, которые могут самопроизвольно протекать только в одном направлении. Возвращение системы в исходное состояние возможно только таким путем, который оставляет изменения в окружающей среде (например, за счет совершения работы внешними силами).

Примеры необратимых процессов:

• Теплопередача от горячего тела к холодному. Теплота самопроизвольно переходит только в одном направлении.
• Диффузия: смешивание двух разных газов или жидкостей. Они не разделяются самопроизвольно.
• Трение: переход механической энергии во внутреннюю (теплоту).
• Расширение газа в вакуум. Газ не соберется самопроизвольно в исходном объеме.
• Горение топлива.

Обоснование такого деления дает второе начало термодинамики. Оно вводит понятие энтропии ($\text{S}$) — меры хаоса или неупорядоченности системы.

В изолированной системе (система, не обменивающаяся с окружающей средой ни энергией, ни веществом) обратимые процессы протекают при постоянной энтропии ($\Delta S = 0$). В то же время, любой реальный (необратимый) процесс в изолированной системе всегда ведет к увеличению ее энтропии ($\Delta S > 0$). Поскольку все реальные процессы сопровождаются диссипацией энергии (трением, теплопроводностью при конечной разности температур и т.д.), они приводят к общему росту энтропии во Вселенной. Самопроизвольный возврат системы и окружающей среды в исходное состояние означал бы уменьшение энтропии, что запрещено вторым началом термодинамики. Именно поэтому все реальные тепловые явления необратимы.

Ответ: Обратимые тепловые явления – это идеализированные, бесконечно медленные (равновесные) процессы, которые могут протекать в обратном направлении, возвращая систему и окружающую среду в исходное состояние (например, таяние льда строго при 0 °С). Необратимые тепловые явления – это все реальные процессы, протекающие с конечной скоростью и сопровождающиеся диссипацией энергии, которые могут самопроизвольно идти только в одном направлении (например, теплообмен, трение, диффузия). Обоснованием служит второе начало термодинамики, согласно которому в реальных процессах энтропия (мера беспорядка) всегда возрастает, что и определяет их однонаправленность.