Номер 3, страница 291 - гдз по физике 10 класс учебник Касьянов

Вопросы. Параграф 60. Второй закон термодинамики. 10. Термодинамика. Молекулярная физика - номер 3, страница 291.

Условие.

3. Как связан второй закон термодинамики с необратимостью тепловых процессов?

Решение.

3. Как связан второй закон термодинамики с необратимостью тепловых процессов?

Второй закон термодинамики напрямую связан с необратимостью тепловых процессов, поскольку он, в отличие от первого закона (закона сохранения энергии), указывает на направление, в котором самопроизвольно протекают процессы в природе.

Необратимые процессы – это процессы, которые могут самопроизвольно протекать только в одном определенном направлении. В обратном направлении они самопроизвольно протекать не могут. Для возвращения системы в исходное состояние требуется внешнее воздействие, которое изменит состояние и других тел. Примерами необратимых процессов являются: теплообмен (передача теплоты от более нагретого тела к менее нагретому), диффузия (самопроизвольное перемешивание газов или жидкостей), а также превращение работы в теплоту за счет трения.

Первый закон термодинамики, выражаемый формулой $Q = \Delta U + A$, не накладывает ограничений на направление этих процессов. Например, он не запрещает теплу самопроизвольно переходить от холодного тела к горячему, при условии сохранения общей энергии. Однако в реальности этого никогда не происходит.

Второй закон термодинамики как раз и устанавливает этот запрет, определяя "стрелу времени" для макроскопических систем. Существует несколько эквивалентных формулировок этого закона, которые иллюстрируют его связь с необратимостью.

1. Формулировка Рудольфа Клаузиуса (1850 г.):«Невозможен процесс, единственным результатом которого была бы передача теплоты от более холодного тела к более горячему». Эта формулировка напрямую постулирует необратимость процесса теплопередачи. Тепло всегда самопроизвольно переходит от горячего к холодному, и обратный процесс невозможен без совершения работы (как, например, в холодильной установке, которая потребляет энергию).

2. Формулировка Уильяма Томсона (лорда Кельвина, 1851 г.):«Невозможен циклический процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара». Это означает невозможность создания "вечного двигателя второго рода", который бы полностью преобразовывал теплоту, полученную от одного источника, в работу. Часть теплоты обязательно должна быть передана более холодному телу (холодильнику). Это также указывает на необратимость: процесс преобразования работы в теплоту (например, при трении) является полным и необратимым, а обратный процесс преобразования теплоты в работу – неполным.

Наиболее общим и фундаментальным способом описания связи второго закона с необратимостью является введение понятия энтропии ($S$). Энтропия – это мера термодинамического беспорядка или хаоса в системе.

Статистическая формулировка второго закона (Людвиг Больцман):В изолированной (замкнутой) системе энтропия не может убывать.

Математически это выражается как $ \Delta S \ge 0 $.

Здесь $ \Delta S $ – изменение энтропии системы. Знак равенства относится к идеализированным обратимым процессам, а знак "больше" – ко всем реальным необратимым процессам.

Рассмотрим пример теплопередачи с точки зрения энтропии. Пусть количество теплоты $Q$ переходит от тела с температурой $T_1$ к телу с температурой $T_2$, причем $T_1 > T_2$. Изменение энтропии горячего тела составит $\Delta S_1 = -\frac{Q}{T_1}$, а холодного – $\Delta S_2 = \frac{Q}{T_2}$. Суммарное изменение энтропии изолированной системы из двух тел будет:

$ \Delta S = \Delta S_1 + \Delta S_2 = \frac{Q}{T_2} - \frac{Q}{T_1} = Q \left( \frac{1}{T_2} - \frac{1}{T_1} \right) $

Поскольку $T_1 > T_2$, то $\frac{1}{T_2} > \frac{1}{T_1}$, и, следовательно, $\Delta S > 0$. Энтропия системы возросла, что соответствует второму закону термодинамики. Для обратного процесса (передачи тепла от холодного тела к горячему) изменение энтропии было бы отрицательным ($\Delta S < 0$), что невозможно для изолированной системы.

Таким образом, все самопроизвольные процессы в природе идут в направлении увеличения энтропии. Система стремится перейти из менее вероятного (более упорядоченного) состояния в более вероятное (менее упорядоченное). Это стремление к состоянию с максимальной энтропией и определяет необратимость тепловых и всех других макроскопических процессов.

Ответ: Второй закон термодинамики устанавливает направление самопроизвольного протекания тепловых процессов, тем самым объясняя их необратимость. Согласно этому закону, все реальные процессы в изолированных системах протекают в сторону увеличения беспорядка, мерой которого является энтропия ($ \Delta S \ge 0 $). Тепло не может самопроизвольно переходить от холодного тела к горячему, потому что такой процесс приводил бы к уменьшению суммарной энтропии, что запрещено вторым законом. Таким образом, второй закон термодинамики является фундаментальным законом природы, описывающим необратимость и "стрелу времени" для макроскопических систем.