Созидательный хаос

При всех естественных (прямых) процессах энтропия Вселенной возрастает. Однако возможны локальные уменьшения хаоса, которые сопровож­даются соответствующим (большим) увеличением хаоса где-либо в друге месте. Таким процессом может быть, например, сгорание топлива на электростанции, которая питает энергией холодильник. Всю ли выделившуюся в химической реакции энергию можно использовать для совершения работы? Например, при сгорании железа (Т = пост.) энтропия вселенной уменьшается (объем продукта реакции гораздо меньше объемов вступивших в реакцию компонент), поэтому всю выделившуюся в данной реакции теплоту нельзя превратить в работу ("противоестественный" процесс). Однако, если некоторая часть энергии покинет систему в виде теплоты, то в целом изменение энтропии вселенной может быть ΔS ≥ 0 и процесс станет спонтанным. Если энтропия вселенной в данной химической реакции убы­вает на ΔS, то для того чтобы скомпенсировать эту убыль, вселенной нужно передать Q_мин = ΔS∙Т, Тогда количество энергии, доступное им использования в качестве работы (свободная энергия F), определяется формулой: F = U – ΔSТ, где U – выделившаяся в данной реакции энергия (внутренняя энергия).

Предположим теперь, что в результате реакции энтропия реагирующей системы повысилась (продукты реакции занимают больший объем при Т = пост.). В этом случае можно произвести больше работы, чем выделилось энергии в виде тепла за счет передачи некоторого количества теплоты от окружающей среды к системе.

Важность понятия свободной энергии:

1. Ее величина показывает, какое количество энергии мы можем получить в результате химической реакции в форме, например, электрической энергии или произведенной работы.

2. Если свободная энергия в ходе реакции убывает (при совершении системой работы как ее внутренняя, так и соответствующая свободная энергии уменьшаются), то реакция, идущая в этом направлении является спонтан­ной, если возрастает – то “противоестественной”, требующей затрат энергии.

"Противоестественные" реакции обеспечивают жизнь (сгорание одной молекулы глюкозы приводит к образованию 38 (энергии достаточно для образования 93) молекул АТФ из АДФ (цикл Кребса в митахондриях), которые, переме­щаясь в клетке, вызывают “противоестественные” реакции, например, образование пептидной связи (белок)).

III. Задача: В сосуде находится по одному молю азота и аргона. Газы разделены перегородкой так, что объемы газов одинаковы. Как изменится энтропия Вселенной, если убрать перегородку?

IV. Вопросы:

1. Если стакан, наполненный чистой водой, и другой, наполненный подсла­щенной водой, поместить вместе в герметически закрытый ящик, то через день можно заметить, как чистая вода постепенно испаряется и конден­сируется в растворе сахара (последний переливается через край). Почему сахар равномерно распределяется по всей доступной жидкой воде?

2. Мог ли демон, открывая и закрывая заслонку, движущую без трения и инерции, разделить быстрые и медленные молекулы в сосуде? (Демон – броуновская частица; проблема обнаружения молекул).

3. Как написать самую бессмысленную бессмыслицу (в шапку положить 32 кар­тонки с буквами алфавита и один пробел; после каждого опыта картонку опускать обратно в шапку и тщательно перемешивать)?

4. Если молекула находится в одной из частей сосуда, разделенного подвиж­ной перегородкой, то способна ли она совершить полезную работу за счет охлаждения одного тела? (А _мах = k∙Т∙ln2, A_инф = k∙Т∙ln2).

5. "Века идут, года уходят,

Но все живущее - не сон:

Оно живет и превосходит

Вчерашней истины закон".

Н. Заболоцкий

О каком законе идет речь в стихотворении Н. Заболоцкого? Обсудите это стихотворение.

6. На основе второго закона термодинамики детально объясните реакцию сгорания (ржавления) железа. Правда ли, что наша кровь окрашена в цвет ржавчины не случайно?

"...повсюду, где существуем разность темпе­ратур,

... возможно получение движущей силы".

С . Карно

Урок 8. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

ЦЕЛЬ УРОКА: Познакомить учеников с принципом действия тепловых двига­телей и их практическими применениями,

ТИП УРОКА: Комбинированный.

ОБОРУДОВАНИЕ: Модель теплового двигателя, стеклянный медицинский шприц (20 мл), колба (100 – 150 мл), электрическая плитка, сосуд с холодной водой. Модель четырехтактного карбюраторного двигателя, диафильм “Тепловые двигатели”, справочник по физике и технике, кинофильм “Тепловые двигатели”.

ПЛАН УРОКА: