Номер 3, страница 239 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

3. Может ли энергия при теплообмене самопроизвольно передаваться от холодного тела к горячему?

1) может, поскольку теплопередача от горячего тела к холодному является обратимым процессом

2) не может, поскольку теплопередача от горячего тела к холодному является необратимым процессом

3) может, поскольку теплопередача от горячего тела к холодному является необратимым процессом

4) не может, поскольку теплопередача от горячего тела к холодному является обратимым процессом

Решение

Данный вопрос относится к одному из фундаментальных законов природы — второму началу термодинамики, которое определяет направление протекания самопроизвольных процессов.

Согласно формулировке второго начала термодинамики, предложенной Рудольфом Клаузиусом, невозможен процесс, единственным результатом которого является передача тепла от менее нагретого тела к более нагретому. Это означает, что энергия в форме теплоты не может самопроизвольно (то есть без совершения работы внешней силой, как в холодильной машине) передаваться от холодного тела к горячему. Таким образом, первая часть правильного утверждения — «не может».

Далее необходимо разобраться с причиной, которая связана с обратимостью процесса. Процесс теплопередачи от горячего тела к холодному является необратимым. Необратимость означает, что процесс не может самопроизвольно пойти в обратном направлении. Если бы этот процесс был обратимым, то тепло могло бы так же самопроизвольно вернуться от холодного тела к горячему, восстановив исходное состояние, что, как мы уже установили, невозможно. Все реальные процессы в природе, протекающие с конечной скоростью (в том числе и теплообмен при наличии разности температур), являются необратимыми.

Необратимость процесса теплопередачи связана с увеличением полной энтропии изолированной системы. При передаче количества теплоты $\delta Q$ от горячего тела с температурой $T_1$ к холодному с температурой $T_2$ (где $T_1 > T_2$), изменение полной энтропии системы $\Delta S_{полн}$ всегда положительно:

$\Delta S_{полн} = \Delta S_1 + \Delta S_2 = -\frac{\delta Q}{T_1} + \frac{\delta Q}{T_2} = \delta Q \left( \frac{1}{T_2} - \frac{1}{T_1} \right) > 0$

Поскольку самопроизвольные процессы в изолированных системах могут идти только в сторону увеличения энтропии, обратный процесс (передача тепла от холодного тела к горячему) невозможен, так как он привел бы к уменьшению энтропии, что запрещено вторым началом термодинамики.

Следовательно, верным является утверждение: энергия не может самопроизвольно передаваться от холодного тела к горячему, поскольку процесс теплопередачи от горячего к холодному необратим.

Этому умозаключению соответствует вариант ответа 2.

Ответ: 2) не может, поскольку теплопередача от горячего тела к холодному является необратимым процессом.