Номер 1, страница 324 - гдз по физике 10 класс учебник Грачев, Погожев

Вопросы. Параграф 58. Второй закон термодинамики. Необратимость процессов в природе. Глава 8. Тепловые машины. Второй закон термодинамики. Молекулярная физика и термодинамика - номер 1, страница 324.

Условие.

1. Сформулируйте второй закон термодинамики.

Решение.

1. Сформулируйте второй закон термодинамики.

Второй закон термодинамики является фундаментальным законом природы, который определяет направление протекания самопроизвольных процессов. В отличие от первого закона (закона сохранения энергии), второй закон является статистическим и указывает на необратимость многих явлений в макроскопических системах. Существует несколько эквивалентных формулировок второго закона термодинамики:

Формулировка Рудольфа Клаузиуса (1850 г.):
Невозможен процесс, единственным результатом которого является передача тепла от более холодного тела к более горячему. Иными словами, теплота не может самопроизвольно переходить от системы с низкой температурой к системе с высокой температурой.

Формулировка Уильяма Томсона (лорда Кельвина) (1851 г.):
Невозможен круговой процесс (цикл), единственным результатом которого было бы производство работы за счёт охлаждения одного теплового резервуара. Эта формулировка постулирует невозможность создания вечного двигателя второго рода — машины, которая бы преобразовывала в работу всю теплоту, извлекаемую из окружающей среды.

Формулировка через энтропию (Людвиг Больцман):
В изолированной (замкнутой) термодинамической системе энтропия никогда не убывает. Она либо остаётся постоянной (для идеализированных обратимых процессов), либо возрастает (для реальных необратимых процессов). Математически это выражается как $ \Delta S \geq 0 $, где $S$ — энтропия системы. Энтропия является мерой беспорядка или неопределенности состояния системы.

Ответ: Второй закон термодинамики утверждает, что в изолированной системе энтропия не может уменьшаться ($ \Delta S \geq 0 $), что эквивалентно утверждениям о невозможности самопроизвольного перехода тепла от холодного тела к горячему (формулировка Клаузиуса) и о невозможности создания вечного двигателя второго рода (формулировка Кельвина).

2. Приведите примеры необратимых процессов.

Необратимые процессы — это термодинамические процессы, которые могут самопроизвольно протекать только в одном направлении. Проведение такого процесса в обратном направлении требует внешнего воздействия и приводит к изменениям в окружающей среде. Все реальные процессы в природе являются необратимыми.

Примеры необратимых процессов:

1. Теплообмен: Передача теплоты от нагретого тела к холодному при их контакте. Обратный процесс — самопроизвольный переход тепла от холодного тела к горячему — невозможен.

2. Диффузия: Взаимное проникновение молекул одного вещества в другое, приводящее к выравниванию концентраций. Например, растворение капли чернил в воде или распространение запаха в комнате. Молекулы самопроизвольно не соберутся обратно в исходное состояние.

3. Трение: Превращение механической энергии в тепловую (внутреннюю) энергию. Например, брусок, скользящий по поверхности, останавливается из-за трения, а его кинетическая энергия переходит в тепло. Обратный процесс — самопроизвольное превращение тепла в кинетическую энергию бруска — не происходит.

4. Расширение газа в вакуум: Если убрать перегородку между сосудом с газом и вакуумированным сосудом, газ самопроизвольно займёт весь доступный объём. Газ никогда самопроизвольно не соберётся обратно в исходный сосуд.

5. Неупругое столкновение: Столкновение тел, при котором часть их кинетической энергии превращается во внутреннюю энергию (нагрев). Например, столкновение двух пластилиновых шариков, после которого они слипаются и останавливаются.

6. Химические реакции: Большинство химических реакций, таких как горение, протекают самопроизвольно только в одном направлении. Продукты горения (зола, углекислый газ, вода) не могут самопроизвольно превратиться обратно в топливо и кислород.

Ответ: Примерами необратимых процессов являются теплообмен между телами с разной температурой, диффузия, трение, расширение газа в пустоту, неупругие столкновения, горение.