Номер 4, страница 65 - гдз по физике 8 класс учебник Кронгарт, Насохова

4. Можно ли считать обратимым процессом неупругое столкновение двух тел?

Решение:

Нет, неупругое столкновение двух тел считать обратимым процессом нельзя. Чтобы понять почему, разберем определения обоих понятий.

Обратимый процесс – это такой процесс, который можно провести в обратном направлении через те же самые промежуточные состояния, что и в прямом направлении, так, что и система, и окружающая среда вернутся в свои исходные состояния. Главным критерием обратимости является то, что полная энтропия Вселенной (система + окружение) при таком процессе не изменяется: $ \Delta S_{Вселенная} = 0 $. Все реальные процессы в той или иной степени необратимы.

Неупругое столкновение – это столкновение, при котором не сохраняется полная кинетическая энергия системы. Часть первоначальной кинетической энергии переходит в другие виды энергии, в основном во внутреннюю энергию (теплоту), а также в энергию звуковых волн и энергию остаточной деформации тел.

Рассмотрим процесс неупругого столкновения. Пусть два тела с массами $ m_1 $ и $ m_2 $ и скоростями $ \vec{v}_1 $ и $ \vec{v}_2 $ сталкиваются. Их суммарная кинетическая энергия до столкновения равна $ E_{к, до} = \frac{m_1 v_1^2}{2} + \frac{m_2 v_2^2}{2} $. После столкновения их кинетическая энергия $ E_{к, после} $ будет меньше, чем до столкновения:

$ E_{к, после} < E_{к, до} $

Разница энергий $ \Delta E_к = E_{к, до} - E_{к, после} $ превращается во внутреннюю энергию $ \Delta U $, в результате чего тела и окружающая среда нагреваются.

$ \Delta U = E_{к, до} - E_{к, после} > 0 $

Этот процесс диссипации (рассеяния) механической энергии в тепловую является фундаментально необратимым. Для того чтобы процесс был обратимым, необходимо, чтобы после столкновения система самопроизвольно вернулась в исходное состояние. Это означало бы, что слипшиеся или деформированные тела должны самопроизвольно "разлететься" в обратном порядке, а выделившаяся в окружающую среду теплота должна была бы собраться обратно и полностью преобразоваться в кинетическую энергию разлетающихся тел, восстановив их первоначальные скорости.

Такой обратный процесс запрещен вторым началом термодинамики. Второе начало термодинамики утверждает, что в любой изолированной системе энтропия (мера беспорядка или рассеянной энергии) не может уменьшаться. Превращение механической энергии в теплоту всегда сопровождается увеличением энтропии. Обратный процесс – самопроизвольное превращение тепла (энергии хаотичного движения молекул) в упорядоченное механическое движение тел – имеет крайне низкую, практически нулевую вероятность и привел бы к уменьшению энтропии, что невозможно для самопроизвольных процессов.

Таким образом, неупругое столкновение является классическим примером необратимого процесса, так как оно сопровождается диссипацией энергии и увеличением энтропии Вселенной ($ \Delta S_{Вселенная} > 0 $).

Ответ: Нет, неупругое столкновение двух тел является необратимым процессом, поскольку при таком столкновении часть механической энергии необратимо переходит во внутреннюю энергию (теплоту), что приводит к увеличению общей энтропии системы и окружающей среды.