Номер 8, 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 8, страница 271.

Условие.

8. Связана ли необратимость процессов с законом сохранения энергии? Проиллюстрируйте свой ответ примерами.

Решение.

Необратимость процессов не связана напрямую с законом сохранения энергии, а является следствием второго начала термодинамики. Закон сохранения энергии (первое начало термодинамики) утверждает, что энергия в замкнутой системе не исчезает и не возникает из ниоткуда, а лишь переходит из одной формы в другую. Этот закон не накладывает никаких ограничений на направление протекания процессов. Процесс, обратный какому-либо реальному процессу, также не нарушал бы закон сохранения энергии.

Направление, в котором самопроизвольно протекают процессы в природе, определяется вторым началом термодинамики. Согласно этому закону, в изолированных системах энтропия (мера беспорядка) не может уменьшаться. Все самопроизвольные процессы идут в сторону увеличения энтропии ($ \Delta S \ge 0 $). Необратимые процессы — это как раз те процессы, при которых энтропия системы и окружающей среды (Вселенной) возрастает.

Рассмотрим несколько примеров, иллюстрирующих это.

Пример 1: Падение и остановка тела.

Когда тело, например, мяч, падает на землю, его потенциальная энергия переходит в кинетическую. При ударе о землю кинетическая энергия превращается во внутреннюю энергию (теплоту) мяча и земли, а также в энергию звуковых волн. Закон сохранения энергии здесь полностью выполняется: начальная потенциальная энергия равна сумме конечной внутренней энергии и энергии звука. Однако обратный процесс, при котором земля и мяч самопроизвольно охладятся, а выделившаяся теплота преобразуется в кинетическую энергию и подбросит мяч на исходную высоту, никогда не наблюдается. Это не потому, что нарушится закон сохранения энергии (энергия бы сохранилась), а потому, что это привело бы к уменьшению общей энтропии. Переход упорядоченного механического движения в хаотичное тепловое движение молекул — это процесс, ведущий к значительному росту беспорядка (энтропии).

Пример 2: Диффузия.

Если в стакан с водой капнуть чернила, они со временем равномерно распределятся по всему объему воды. Это необратимый процесс. При этом процессе полная энергия системы (вода + чернила) практически не меняется, то есть закон сохранения энергии соблюдается. Однако мы никогда не увидим, как молекулы чернил самопроизвольно соберутся обратно в каплю, оставив остальную воду чистой. Причина та же: смешанное состояние (молекулы чернил и воды распределены хаотично) является гораздо более вероятным и соответствует гораздо большей энтропии, чем упорядоченное состояние, когда все молекулы чернил собраны в одном месте.

Таким образом, закон сохранения энергии позволяет определить, какие энергетические превращения возможны в принципе, но не говорит ничего о направлении этих превращений. Направление же необратимых процессов определяется вторым началом термодинамики и принципом возрастания энтропии.

Ответ: Необратимость процессов не связана с законом сохранения энергии. Закон сохранения энергии выполняется как для прямых, так и для гипотетических обратных процессов. Необратимость объясняется вторым началом термодинамики, согласно которому все самопроизвольные процессы в изолированной системе идут в направлении увеличения энтропии (беспорядка).