Номер 1, страница 227 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

1. Опровергает ли работа холодильника второй закон термодинамики?

1. Опровергает ли работа холодильника второй закон термодинамики?

Решение

На первый взгляд может показаться, что работа холодильника противоречит второму закону термодинамики. Одна из формулировок этого закона (постулат Клаузиуса) гласит, что теплота не может самопроизвольно переходить от более холодного тела к более горячему.

Холодильник действительно переносит теплоту из холодной внутренней камеры (холодный резервуар) в более теплое помещение (горячий резервуар). Однако ключевым моментом является то, что этот процесс не является самопроизвольным. Для переноса тепла "против" естественного градиента температур холодильник совершает работу $\text{A}$ за счет потребления электроэнергии. Эта работа выполняется компрессором, который сжимает хладагент.

Чтобы корректно применить второй закон термодинамики, необходимо рассматривать не только внутреннюю камеру холодильника, а всю изолированную систему, включающую в себя:
1. Холодный резервуар (внутреннее пространство холодильника с температурой $T_{холод}$).
2. Горячий резервуар (окружающее пространство, комната с температурой $T_{горяч}$).
3. Сам холодильный агрегат (рабочее тело и компрессор).

Второй закон термодинамики в формулировке через энтропию утверждает, что в изолированной системе полная энтропия $\text{S}$ не может убывать, то есть ее изменение $ΔS_{общ}$ всегда больше или равно нулю ($ΔS_{общ} \ge 0$).

Рассмотрим изменение энтропии для нашей системы:

1. От холодного резервуара отводится количество теплоты $Q_{холод}$. Его энтропия уменьшается на величину: $ΔS_{холод} = -\frac{Q_{холод}}{T_{холод}}$.

2. Горячему резервуару (комнате) передается количество теплоты $Q_{горяч}$. Согласно первому закону термодинамики (закону сохранения энергии), теплота, отданная в комнату, равна сумме теплоты, забранной из камеры, и работы, совершенной компрессором: $Q_{горяч} = Q_{холод} + A$. Энергия, затраченная на работу компрессора, в конечном счете также переходит в тепло и рассеивается в комнате. Энтропия горячего резервуара увеличивается на величину: $ΔS_{горяч} = +\frac{Q_{горяч}}{T_{горяч}} = \frac{Q_{холод} + A}{T_{горяч}}$.

3. Суммарное изменение энтропии всей системы равно:
$ΔS_{общ} = ΔS_{холод} + ΔS_{горяч} = \frac{Q_{холод} + A}{T_{горяч}} - \frac{Q_{холод}}{T_{холод}}$.

Поскольку холодильник работает, то $A > 0$. Также мы знаем, что температура в комнате выше, чем в холодильнике, то есть $T_{горяч} > T_{холод}$. Из-за совершения работы $\text{A}$, количество теплоты, отданное в комнату, всегда больше, чем количество теплоты, забранное из камеры ($Q_{горяч} > Q_{холод}$). Это увеличение количества отданной теплоты с лихвой компенсирует тот факт, что она отдается при более высокой температуре. В результате общее изменение энтропии системы всегда оказывается положительным:
$ΔS_{общ} > 0$.

Таким образом, локальное уменьшение энтропии внутри холодильной камеры компенсируется еще большим увеличением энтропии в окружающей среде (комнате). Общая энтропия изолированной системы "холодильник + комната" возрастает, что полностью соответствует второму закону термодинамики.

Ответ: Нет, работа холодильника не опровергает второй закон термодинамики. Перенос тепла от холодного тела к горячему происходит не самопроизвольно, а за счет совершения внешней работы, что приводит к общему увеличению энтропии в системе "холодильник + окружающая среда".