Оценка энергии теплового движения молекул
Тема занятия: Второй закон термодинамики. Необратимость тепловых процессов.
На данном уроке, тема которого: «Второй закон термодинамики. Необратимость тепловых процессов», мы обсудим и рассмотрим термодинамические обратимые и не обратимые процессы.
Введение
Как вы думаете, какое состояние достигается проще, порядок или хаос? За примерами далеко ходить не нужно, достаточно вспомнить свою собственную комнату. Может ли быть такое, чтобы в комнате сам собой вдруг образовался порядок, все вещи лежали на своих местах? Конечно же, нет.
Продолжая подбирать примеры, поговорим про пластилин. Берем, например, два куска пластилина, синий и желтый, перемешиваем их несколькими движениями рук и получаем зеленый комок. Можно ли теперь, в точности повторив движения рук, но в обратном направлении, снова получить синий и желтый куски? Конечно, нет. Мы прекрасно знаем, что в этом случае мы лишь сильнее перемешаем исходные два куска пластилина. Причем же здесь термодинамика? Напомню: на прошлом уроке мы говорили о сохранении энергии в смысле более широком, чем просто сохранение механической энергии, сумме кинетической и потенциальной энергии движения тела, и итогом прошлого урока стала формулировка так называемого первого закона термодинамики. Кроме этого, напомню, мы поставили перед собой задачу разобраться, как превратить тепловую энергию движения молекул в механическую работу, сделать это максимально эффективно. В идеале для этого необходимо всю энергию теплового движения превратить в полезную работу.
|
|
|
Итак, сегодня мы поговорим об этом вопросе и как это связано с нашими примерами.
Тепловое равновесие
Отклоненный от положения равновесия маятник рано или поздно остановится, запущенное от руки колесо перевернутого велосипеда сделает много оборотов, но, в конце концов, тоже прекратит движение. Нет исключения из важного закона: все окружающие нас тела, движущиеся самопроизвольно, в конце концов, остановятся. Если имеются два тела, нагретое и холодное, то тепло будет передаваться от первого тела до второго, до тех пор, пока температуры не уравновесятся (см. рис. 1), тогда теплопередача прекратится, состояние тел перестанет изменяться, установится тепловое равновесие.
Рис. 1. Передача тепла между двумя телами
Нет такого явления, при котором тела самопроизвольно выходили бы из состояния равновесия. Не может быть такого случая, чтобы покоящийся маятник вдруг начал колебаться сам по себе. Не бывает и так, чтобы нагрелся сам по себе стоящий на столе стакан воды.
Стремление к равновесию означает, что у событий имеется естественный ход, тепло самопроизвольно переходит от горячего к холодному и не будет переходить самопроизвольно от холодного тела к горячему.
|
|
|
Механическая энергия колеблющегося маятника благодаря сопротивлению воздуха и трению в подвесе перейдет в тепло. Однако ни при каких условиях маятник не начнет раскачиваться за счет тепла, имеющегося в окружающей среде, тела приходят в состояния равновесия, но самопроизвольно выйти из него не могут. Этот закон природы сразу же говорит нам, какая часть тепловой энергии для нас совершенно бесполезна, – это энергия теплового движения тех тел, которые находятся в состоянии равновесия. Ее мы никак не сможем превратить в полезную механическую работу.
Проведем простую оценку того, какую долю энергии мы в результате такого закона природы фактически теряем или, можно сказать, недополучаем. Эту оценку мы сделаем в первом ответвлении.
Оценка энергии теплового движения молекул
Итак, проведем оценку тепловой энергии движения молекул, которая для нас не эффективна с точки зрения механической работы.
Оказывается, эта часть энергии очень велика, например, если понизить температуру на один градус, то килограмм земли, имеющей
теплоемкость 
, потеряет соответственно 0,84 кДж, относительно небольшая цифра. Однако представим, какую энергию мы получили бы, если бы довелось охладить всего лишь на 1 градус такого вещества в массе всего земного шара. Масса Земли равна 
. Умножая, мы получим грандиозную цифру, приблизительно 
. Чтобы вы могли представить эту величину, скажем тут же, что в настоящее время энергия, вырабатываемая ежегодно электростанциями всего мира, равна приблизительно 
, т. е. примерно в миллиард раз меньше.
|
|
|
Второй закон термодинамики
Итак, мы только что убедились, что система тел, находящихся в тепловом равновесии друг с другом, с энергетической точки зрения нам не интересна. Значит, для того чтобы превратить тепловую энергию в механическую или осуществить процесс передачи тепла от одного тела к другому, нам необходимо найти такие системы, добиться того, чтобы тела в этих системах не находились в состоянии теплового равновесия.
Все вышесказанное можно сформулировать в виде так называемого второго закона или второго начала термодинамики: невозможен процесс, единственным результатом которого стала передача тепла от более холодного тела к более горячему в замкнутой системе тел.
Второй закон термодинамики подчеркивает направление тепловых процессов, протекающих в природе, отражая необратимость таких процессов, т. е. они могут самопроизвольно протекать только в одном направлении. Вспомните пример в начале урока с порядком в вашей комнате. Другие примеры: при неупругом ударе кинетическая энергия тел переходит в внутреннюю (см. рис. 2). При контакте двух тел с разной температурой тепло всегда переходит от горячего тела к холодному (см. рис. 1), в обратном направлении самопроизвольно такие процессы протекать не могут.
|
|
|
Рис. 2. Пример неупругого удара и перехода кинетической энергии во внутреннюю
Дополнительную полезную информацию о втором законе вы получите, просмотрев следующее ответвление.
Дата добавления: 2020-12-22; просмотров: 62; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!