§ 32. Необратимость тепловых процессов. Второй закон термодинамики.

Процессы в природе необратимы, а их направление подчиняется общей закономерности – более упорядоченные состояния замкнутых систем переходят в менее упорядоченные.

Если лежащий на земле мяч слегка толкнуть ногой, то он, прокатившись по земле, остановится, а вся его кинетическая энергия перейдёт в тепловую, в результате чего он сам и участки земли, которых он касался, станут чуть теплее. Другими словами, вся кинетическая энергия упорядоченного движения мяча переходит во внутреннюю энергию хаотического движения молекул. А можно ли сделать наоборот, чтобы часть энергии хаотического движения молекул перешла в кинетическую энергию его упорядоченного движения, как целого? В принципе, можно себе представить, что совершенно случайно все молекулы мяча в своём тепловом движении вдруг начинают двигаться в одном направлении. Тогда очевидно, что и весь мяч двинется в ту же сторону. Интересно, что такая случайная координация между движениями всех молекул не противоречит закону сохранения энергии, но жизненный опыт нам подсказывает, что этого быть не может, т.к. вероятность такого события очень и очень мала. Таким образом, процесс скольжения мяча является необратимым, при котором вся кинетическая энергия переходит в тепловую, а упорядоченное движение заменяется хаотичным.

Можно привести много примеров необратимости тепловых процессов. Если два тела разной температуры соприкасаются, то более горячее тело остывает, а более холодное нагревается, хотя закон сохранения энергии, вообще говоря, не запрещает и обратное. Поэтому теплообмен между неодинаково нагретыми телами тоже необратим и происходит только от более нагретого тела к менее нагретому (рис. 32а). Можно считать, что до начала теплообмена молекулы были расположены упорядоченно – молекулы с малой кинетической энергией в менее нагретом теле, а молекулы с большой энергией в более нагретом. Таким образом, как и в случае с катящимся по полю мячом, теплообмен происходит в направлении от порядка к его отсутствию.

Свойство газа занимать весь объём сосуда, в котором он находится, тоже возникает из-за стремления молекул газа к беспорядку. Если сначала разместить все молекулы газа в какой-то малой части сосуда, а потом снять ограничения, разрешив им двигаться, то они равномерно заполнят весь его объём (рис. 32б). Как и в предыдущих случаях, вероятность того, что молекулы опять соберутся все вместе в той части сосуда, где они были сначала, ничтожно мала. Поэтому и этот процесс расширения газа тоже необратим.

Таким образом, можно утверждать, что, если замкнутая система из макроскопических тел переходит в другое состояние, то этот переход необратим, т.к. он всегда происходит из менее вероятного состояния в более вероятное. Это утверждение называют вторым законом термодинамики, который указывает направление протекания тепловых процессов в природе.

Существуют, однако, и несколько других формулировок второго закона термодинамики. Одна из них принадлежит немецкому учёному Р. Клаузису – «Невозможен процесс, единственным результатом которого был бы переход количества теплоты от холодного тела к горячему». Другими словами, теплообмен в замкнутой системе может происходить только в одном направлении – от горячего тела к холодному.

Докажем с помощью второго закона термодинамики в формулировке Клаузиса, что количество теплоты, полученное при охлаждении какого-либо тела А не может быть полностью преобразовано в механическую энергию тела Б. Действительно, если бы это удалось, то тогда можно было бы нагреть любое тело В, более горячее, чем А, с помощью силы трения, возникающей при движении тела Б по телу В. В результате, система из тел А,Б и В перешла бы в новое состояние, отличное от старого только тем, что некоторое количество теплоты перешло от тела А к более горячему телу В. А такой процесс запрещён вторым законом термодинамики, и значит, всё количество теплоты не может быть преобразовано в механическую энергию.

Потребности человеческого общества в различных видах энергии возрастают с каждым годом. При этом большая часть электрической и механической энергии производится тепловыми двигателями, в частности, двигателями внутреннего сгорания, КПД которых ограничен вторым законом термодинамики и уравнением (31.2). И, чем больше человечество производит энергии, тем больше оно нагревает окружающую среду и загрязняет её экологически вредными продуктами сгорания. Поэтому будущее мировой энергетики связано с использованием энергосберегающих технологий и возобновляемых источников энергии (ветер, приливы, солнечная энергия и т.п.).

Вопросы для повторения:

· Приведите примеры необратимых тепловых процессов.

· Сформулируйте второй закон термодинамики и следствия из него.

Рис. 32. Иллюстрация необратимости при теплообмене (а, стрелкой показано направление передачи теплоты) и расширении газа в пустоту (б, слева – начальное состояние).