Номер 1, страница 168 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Синяков

Глава 5. Законы термодинамики. Параграф 5.9. Второй закон термодинамики - номер 1, страница 168.

Условие.

? 1. Сформулируйте второй закон термодинамики. Почему существует несколько формулировок этого закона?

Решение.

Сформулируйте второй закон термодинамики.

Второй закон термодинамики — это фундаментальный закон природы, который устанавливает направление протекания самопроизвольных термодинамических процессов. В отличие от первого закона, который является законом сохранения энергии, второй закон носит ограничительный характер и указывает на необратимость многих процессов в природе. Существует несколько эквивалентных формулировок этого закона, наиболее известными из которых являются:

1. Формулировка Рудольфа Клаузиуса (1850 г.):
Невозможен процесс, единственным результатом которого была бы передача теплоты от более холодного тела к более горячему. Иными словами, теплота не может самопроизвольно переходить от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой.

2. Формулировка Уильяма Томсона (лорда Кельвина) (1851 г.):
Невозможен круговой процесс (цикл), единственным результатом которого было бы производство работы за счёт охлаждения одного теплового резервуара. Это означает невозможность создания вечного двигателя второго рода — устройства, которое бы полностью превращало в работу всю теплоту, полученную от единственного источника.

3. Формулировка через энтропию (Людвиг Больцман):
В изолированной термодинамической системе энтропия не может убывать. Она либо остаётся постоянной (для обратимых процессов), либо возрастает (для необратимых процессов), стремясь к своему максимальному значению, соответствующему состоянию термодинамического равновесия. Математически это выражается как $ \Delta S \geq 0 $, где $\text{S}$ — энтропия системы.

Ответ: Второй закон термодинамики утверждает, что теплота не может самопроизвольно переходить от холодного тела к горячему и что невозможно создать вечный двигатель второго рода, преобразующий в работу всю теплоту от одного источника. В более общей форме он гласит, что энтропия изолированной системы не может уменьшаться.

Почему существует несколько формулировок этого закона?

Существование нескольких формулировок второго закона термодинамики обусловлено несколькими причинами:

1. Историческое развитие: Различные формулировки были предложены разными учёными (Клаузиусом, Кельвином, Больцманом и др.) в разное время и в контексте изучения различных физических явлений. Клаузиус и Кельвин исходили из анализа работы тепловых машин, стремясь определить пределы эффективности преобразования теплоты в работу. Больцман же подошёл к этому вопросу с позиций статистической механики, связав макроскопические свойства системы с поведением составляющих её микрочастиц.

2. Эквивалентность: Несмотря на различие в словесных выражениях, все эти формулировки являются логически эквивалентными. Это означает, что если бы одна из них была неверна, то неверными оказались бы и все остальные. Можно строго доказать, что из постулата Клаузиуса следует постулат Кельвина, и наоборот. Например, если бы можно было создать двигатель, нарушающий постулат Кельвина, его можно было бы скомбинировать с холодильником так, чтобы вся система в целом нарушала постулат Клаузиуса (передавала тепло от холодного тела к горячему без затрат работы).

3. Разные аспекты одного явления: Каждая формулировка подчёркивает определённую сторону одного и того же фундаментального принципа — необратимости реальных физических процессов. Формулировка Клаузиуса описывает естественное направление потока тепла. Формулировка Кельвина устанавливает принципиальные ограничения на преобразование теплоты в работу. Формулировка через энтропию даёт наиболее общее и универсальное описание, связывая необратимость с ростом беспорядка (энтропии) в изолированных системах. Таким образом, наличие нескольких формулировок позволяет более полно и с разных сторон понять глубокий смысл второго закона термодинамики.

Ответ: Несколько формулировок существуют, потому что они были созданы исторически разными учёными при изучении разных явлений, но при этом они логически эквивалентны и описывают разные аспекты одного и того же фундаментального принципа — необратимости процессов в природе и тенденции изолированных систем к увеличению беспорядка (энтропии).