Номер 7, 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 7, страница 271.

Условие.

7. Объясните, почему любой реальный процесс не может быть в точности обратимым.

Решение.

Решение

Любой реальный процесс не может быть в точности обратимым из-за совокупности факторов, которые фундаментально связаны со вторым началом термодинамики. Обратимый процесс — это идеализированная физическая модель, которая в реальности недостижима.

Основные причины необратимости реальных процессов:

1. Наличие диссипативных сил. В любой реальной системе существуют силы, приводящие к рассеянию (диссипации) энергии в виде тепла. К ним относятся трение при механическом движении, вязкость в жидкостях и газах, электрическое сопротивление. Эта рассеянная энергия увеличивает внутреннюю энергию окружающих тел, и собрать её обратно для совершения обратного процесса невозможно. Например, тепло, выделившееся из-за трения, нельзя полностью преобразовать обратно в упорядоченное механическое движение.

2. Конечная скорость протекания процессов. Обратимый процесс должен протекать квазистатически, то есть бесконечно медленно, чтобы система в каждый момент времени успевала прийти в состояние термодинамического равновесия. Реальные же процессы всегда происходят с конечной скоростью. Из-за этого в системе возникают неоднородности (например, градиенты давления или температуры), и она проходит через неравновесные состояния. Провести процесс в обратном направлении через ту же последовательность неравновесных состояний невозможно.

3. Теплообмен при конечной разности температур. Согласно второму началу термодинамики, теплота самопроизвольно передается только от более нагретого тела к менее нагретому. Этот процесс является обратимым, только если разность температур бесконечно мала. В реальности теплообмен всегда идет при конечной разности температур, что делает его необратимым.

4. Самопроизвольные процессы смешивания и расширения. Такие процессы, как диффузия (смешивание газов или жидкостей) или расширение газа в вакуум, происходят самопроизвольно и всегда приводят к увеличению беспорядка в системе. Обратные процессы (самопроизвольное разделение смеси или сжатие газа в одну часть сосуда) никогда не наблюдаются.

Все эти явления являются следствием второго начала термодинамики, которое в наиболее общей форме утверждает, что энтропия (мера хаоса или неупорядоченности) изолированной системы не может убывать. Для любого реального (необратимого) процесса изменение полной энтропии Вселенной (системы плюс окружающая среда) всегда положительно:

$ΔS_{вселенной} > 0$

Для гипотетического обратимого процесса это изменение равно нулю ($ΔS_{вселенной} = 0$). Поскольку в реальных процессах всегда происходит увеличение энтропии, вернуть систему и окружающую среду в первоначальное состояние (что требуется для обратимости) означало бы уменьшить уже возросшую энтропию Вселенной, что невозможно.

Ответ:

Любой реальный процесс не может быть в точности обратимым, так как он всегда сопровождается явлениями, приводящими к рассеянию энергии (из-за трения, вязкости, сопротивления) и протекает с конечной скоростью, что приводит к росту общей неупорядоченности (энтропии) системы и окружающей среды. Согласно второму началу термодинамики, полная энтропия замкнутой системы никогда не убывает. Для полного возвращения системы и окружающей среды в исходное состояние потребовалось бы уменьшение этой возросшей энтропии, что является невозможным.